Brevet FR2679626A1 — publié le 19930129

L' invention concerne la combustion pulsée, du genre o l'on imprime une pulsation à une flamme en provoquant des variations cycliques du débit de carburant et/ou du débit de comburant mettant en oeuvre des brûleurs pour 5 fours industriels. On connaît déjà plusieurs procédés de combustion pulsatoire, basés sur le principe d'augmentation de volume des gaz brûlés Cette augmentation de volume agit sur des dispositifs de réglage des débits des gaz à brûler10 provoquant une diminution de la combustion, donc une diminution du volume des gaz brûlés La pression amont des fluides rétablit alors les débits à leur plus haute valeur et la combustion augmente, assurant ainsi une combustion pulsatoire.15 Un tel procédé est décrit par exemple le brevet européen N O O 046 898. En outre, le document SU A 1048 240 décrit une combustion avec de l'air et des combustibles liquides traversant des orifices calibrés formant atomiseur; ce20 dispositif fonctionne exclusivement à l'air. Selon le document SU-A-1 449 768, on pulse également uniquement l'air de combustion. Le document SU-A-857 642 décrit un dispositif de pulsation de l'air pour des combustions gazeuses ou liquides fonctionnant sur le principe d'une roue à aubes montée sur axe comprenant quatre aubes Le comburant est mis en pression, pulsé par le dispositif à roues à aubes. On doit donc introduire une énergie supplémentaire. Dans ces documents, on ne précise aucune donnée opératoire susceptible de conduire à une combustion optimale. L'invention vise une adaptation de la combustion pulsée en vue de la réduction de l'émission des oxydes d'azote et plus particulièrement une combustion mettant en35 oeuvre de l'oxygène industriel On sait que la production des oxydes d'azote, qui sont nuisibles pour l'environnement humain, dépend des pressions partielles d'oxygène, d'azote ainsi que de la température du milieu. Ceci peut être un inconvénient dans le cas du comburant oxygène pur, que l'on utilise de plus en plus. Les études effectuées par la demanderesse ont montré, par exemple, que dans le cas d'oxygène pur, la teneur des fumées en oxydes d'azote s'élève de 180 ppm à 1600 ppm dans un four dit adiabatique de 25 KW, o l'énergie thermique est transmise aux parois du four et aux fumées produites en fonction d'une teneur en azote du10 gaz naturel variant de 2 % à 16 % De même, la teneur des fumées en oxydes d'azote s'élève de 150 ppm à 500 ppm dans un four o l'énergie thermique est transmise à la fois à la charge et aux parois et fumées, toujours en fonction de la teneur en azote du gaz naturel utilisé. La teneur en oxydes d'azote ainsi produits est suffisamment élevée pour être considérée comme nuisible, et cela d'autant plus que tout excès couramment mis en oeuvre d'oxygène dans les fumées conduit encore à un accroissement de l'émission des oxydes d'azote Par exemple on a pu constater que, toutes choses égales par ailleurs, la teneur en oxydes d'azote passe de 700 ppm à 1200 ppm lorsque la teneur en oxygène dans les fumées passe de 1 % à 4 %. L'objectif principal de la présente invention est donc d'adapter la combustion pulsée, et plus particulièrement celle mettant en oeuvre de l'oxygène quasi-pur, de façon à limiter considérablement l'émission d'oxydes d'azote et cet objectif est atteint par la combinaison des mesures opératoires suivantes: a) on assure des variations cycliques de débit à la fois sur le comburant et sur le combustible entre un débit minimal et un débit maximal, b) les variations cycliques selon a) sont effectuées à une fréquence inférieure à 5 Hertz; c) le rapport entre la durée à débit maximal et la durée à débit minimal est compris entre 0,5 et 2; d) le rapport volumique entre un débit minimal et un débit maximal est inférieur à 0,7; e) la teneur en oxygène des fumées est quasi-nulle. C'est l'ensemble de ces mesures qui permet de réduire considérablement l'émission d'oxydes d'azote, comme le montrent les résultats expérimentaux qui seront détaillés plus loin On explique ici que les pulsations engendrées selon l'invention permettent d'intervenir en premier lieu sur les temps de séjour des espèces présentes10 (trajets co- linéaires), en second lieu sur les temps de rencontre de ces espèces On agit donc directement sur le niveau de température par le fait que localement on se trouve dans des conditions fortement sur ou sous- stoechiométriques La combustion locale se fait donc en présence de produits de combustion des combustions locales précédentes On assiste de ce fait à un étagement du mécanisme de combustion et donc directement à une diminution de la formation d'oxydes d'azote. Grâce à l'utilisation d'oxygène et à une pression amont suffisante sur le comburant et le combustible, il est possible de générer des pulsations, à des fréquences bien déterminées et de préférence, ces variations cycliques sont faites à la même fréquence, en synchronisme ou avec déphasage, sur les débits d'oxygène et de carburant. L'invention concerne également des installations de mise en oeuvre d'une combustion pulsée à l'oxygène. Selon une première forme de réalisation d'une telle installation, du genre o un conduit d'alimentation en courant gazeux combustible et/ou oxygène pour brûleur oxycombustible est équipé d'un moyen de mise en pulsation dudit courant gazeux, les moyens de pulsation comprennent une électrovanne de pulsation by-passée par une vanne à débit minimal constant. Selon une seconde forme de réalisation d'une telle installation, le moyen de pulsation d'un courant gazeux d'alimentation d'un brûleur comprend un générateur de débit électronique. Selon une troisième forme de réalisation d'une telle installation, le moyen de pulsation d'un courant gazeux d'alimentation d'un brûleur comprend un aileron à oscillation alternative placée dans un conduit d'alimentation dudit brûleur. Selon une quatrième forme de réalisation le moyen de pulsation d'un courant gazeux d'alimentation d'un brûleur comprend une vanne du type rotatif avec un corps de vanne fixe et un boisseau rotatif. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un diagramme du rapport des teneurs en oxydes d'azote Nox/Nox (ref) avec et sans pulsations en fonction de la fréquence des pulsations imprimées uniquement sur le carburant gaz naturel; la figure 2 est un diagramme de la teneur en pourcentage en monoxyde de carbone en fonction de la fréquence des pulsations, imprimées uniquement sur le carburant gaz naturel; les figures 3 et 4 sont des diagrammes correspondants aux figures 1 et 2, les pulsations étant d'imprimer uniquement sur le comburant oxygène; les figures 5 et 6 sont des diagrammes analogues aux figures 1 et 2, les pulsations étant imprimées à la fois sur le gaz naturel et sur l'oxygène; les figures 7 et 8 sont des diagrammes analogues aux figures 1 et 2 pour une autre expérimentation; les figures 9 et 10 sont des diagrammes en rapport Nox/Nox (ref) en fonction du rapport C/D, C étant le débit minimal constant et D le débit surajouté de pulsations; la figure 11 est une vue schématique d'une forme de mise en oeuvre de l'invention; la figure 12 est une variante de mise en oeuvre; les figures 13 et 14 sont des vues schématiques d'une troisième variante de mise en oeuvre. la figure 15 est une vue en coupe d'une vanne rotative selon l'invention; les figures 16, 17, 18 sont des vues en coupe de variantes de réalisation d'une telle vanne rotative. En se référant à la figure 1, l'expérimentation s'applique à des pulsations imprimées uniquement sur le carburant gaz naturel, le rapport volumique du débit minimal au débit maximal de gaz naturel étant de 0,23 On constate un rapport du taux d'émission d'oxydes d'azote rapporté à un système de référence sans pulsation qui varie de 0,5 à 1,2 pour une variation de fréquence de 0,1 à 10,8 Hertz On note une réduction de 50 % des émissions d'oxydes d'azote dans la gamme de fréquences comprises entre 0,1 et 0,3 Hz. Dans les mêmes conditions, on constate, figure 2, une émission quasinulle de monoxyde de carbone, sauf pour les basses fréquences, inférieures à 0,1 Hz. En se référant aux figures 3 et 4, on constate des effets similaires de réduction du taux d'émission d'oxydes d'azote et de légère production de monoxyde de carbone à très basse fréquence, dans le cas o l'on imprime des pulsations seulement sur l'oxygène. En se référant aux figures 5 et 6, o l'on imprime des pulsations à la fois sur le gaz naturel et sur l'oxygène, on assure une réduction de plus de 80 % des oxydes d'azote émis avec des déphasages de N et pour des fréquences comprises entre 0,1 et 0,4 Hz. En se référant aux figures 7 et 8, on constate des taux réduits d'oxydes d'azote émis dans un four avec un rapport des débits minimal et maximal de 0,5 et une durée à débit minimal égale à la durée à débit maximal On opère sur un four avec un débit minimal égal à la moitié du débit maximal, un déphasage de T et une durée à débit minimal égale à celle à débit maximal; on constate une réduction de 40 % du taux d'émission des oxydes d'azote. En se référant maintenant aux diagrammes des figures 9 et 10, qui représentent en ordonnée, respectivement le taux d'oxydes d'azote, et de monoxyde de carbone et, en abscisse, le rapport entre le débit minimal et le débit5 maximal des pulsations (exprimé ici par C/P correspondant au rapport entre le débit minimal constant et le supplément de débit de pulsation), on voit que ce rapport C/P doit être compris entre 0,1 et 0,3, c'est-à-dire que le rapport débit minimal/débit maximal doit être compris10 entre 0,5 et 0,2. On se réfère maintenant à la figure 11, une chambre de combustion 1 est chauffée par une flamme 2 d'un brûleur 3 constitué de deux tubes concentriques 4 et 5, le tube central 4 formant conduit d'admission de gaz naturel, tandis que l'espace interstitiel 6 entre les tubes 4 et 5 forment conduit annulaire d'admission d'oxygène. Les conduits d'admission de gaz naturel 4 et d'oxygène 6 sont tous deux raccordés à des sources gazeuses non représentées au moyen d'une conduite 11, 21 incorporant une vanne de commande 12, 22 chacune by- passée par une vanne pointeau 13, 23 Les débits sont mesurés par des rotamètres de dérivation 14, 24. Ce sont les électrovannes 12 et 22 qui permettent par les ouvertures cycliques une pulsation des débits de gaz naturel et d'oxygène entre un débit minimal fourni par les vannes-pointeau 13 et 23 (vannes 12 et 22 fermées) et un débit maximal fourni par les vannes-pointeau 13-23 toujours en position d'ouverture, et les électrovannes 12- 22 alors en position d'ouverture. Au lieu d'utiliser un montage à électrovanne by- passée par vanne-pointeau, on peut utiliser des générateurs électroniques de débit 31, 32 comme indiqué schématiquement à la figure 12 De tels générateurs de débit sont par exemple décrit dans le brevet français no 88 08 064 du 16 juin 1988 au nom de la demanderesse. On peut provoquer une pulsation sur un débit gazeux par l'oscillation alternative d'un aileron 42 placé dans une conduite 41 d'alimentation du brûleur et entraîné par un moteur 43, tandis que l'autre conduite 51 est ici dépourvue de tout moyen de mis en pulsation. En se référant à la f igure 15, une vanne rotative comprend un corps de vanne 61 avec une cavité interne 62 avec des passages d 'entrée alignés 63 et 64 Un boisseau de vanne rotatif 65 de forme externe cylindrique présente deux parois opposées 66 et 67 de forme cylindrique formant obturateurs pour les passages 63 et 64, alors qu'entre ces10 parois 66 et 67 se présentent des lumières opposées 68 (dans le plan de la figure) qui, dans une position décalée de 90 , viennent dégager complètement les passages 63 et 64 Le boisseau de vanne 65 est monté en bout d'un axe rotatif 69 entraîné à rotation continue par moteur via des courroies crantées ou des engrenages Un moteur commun peut entraîner les deux vannes de comburant et de combustible, avec déphasage angulaire des ouvertures/fermetures par simple décalage de pignons d'entraînement On peut modifier le rapport des durées20 d'ouverture/fermeture en réalisant des boisseaux de vanne différents comme représenté à la figure 16 (trois parois obturatrices 71, 72, 73 de faible course angulaire, séparées par trois lumières 74, 75, 76 de forte course angulaire), ou à la figure 17 (quatre parois obturatrices25 de large extension angulaire 81, 82, 83, 84, séparées par quatre petites lumières 85, 86, 87, 88) ou à la figure 18 (quatre parois obturatrices 91, 92, 93, 94 et quatre lumières 95, 96, 97, 98 de même extension angulaire). Cette technique de réduction des émissions d'oxydes d'azote par pulsation des fluides avant combustion est applicable à tout brûleur et à tout four comportant un ou plusieurs brûleurs, tout type de fluide, carburant gazeux, liquide et solide, tout type de fluide comburant air, air oxygéné et oxygène pur. REVENDICATIONS 1 Procédé de combustion pulsée, du genre o l'on imprime une pulsation à une flamme en provoquant des variations cycliques du débit de carburant et/ou du débit5 de comburant mettant en oeuvre des brûleurs pour fours industriels, caractérisé pour la combinaison des mesures opératoires suivantes: a) on assure des variations cycliques de débit à la fois sur le comburant et sur le combustible, entre un débit minimal et un débit maximal; b) les variations cycliques selon a) sont effectuées à une fréquence commune aux deux débits, qui reste inférieure à 5 Hertz; c) le rapport entre la durée à débit maximal et la durée à débit minimal est compris entre 0,5 et 2; d) le rapport volumique entre un débit minimal et un débit maximal est inférieur à 0,7; e) la teneur volumique en oxygène des fumées est quasi- nulle. 2 Procédé de combustion pulsée selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence des pulsations est de l'ordre de 0,1 à 1 Hertz et de préférence 0,2 Hertz. 3 Procédé de combustion pulsée selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport entre la durée à débit maximal et la durée à débit minimal est compris entre 0,5 et 2, et de préférence de l'ordre de 1. 4 Procédé de combustion pulsée selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que le rapport volumique entre un débit minimal et un débit maximal est inférieur à 0,66 et de préférence de l'ordre de 0,20 à 0,30. Procédé de combustion pulsée selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que le rapport volumique entre un débit minimal et un débit surajouté de pulsation est compris entre O et 2 et de préférence de l'ordre de 0,3. 6 Procédé de combustion pulsée selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les pulsations des débits de comburant et de combustible sont déphasées d'un angle de l'ordre de w. 7 Installation de combustion pulsée destinée à mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, du genre o un conduit10 d'alimentation en courant gazeux combustible ( 11) et/ou oxygène ( 21) pour brûleur oxycombustible est équipé d'un moyen de mise en pulsation dudit courant gazeux, caractérisée en ce que les moyens de pulsation comprennent une électrovanne de pulsation ( 12) ( 22) by-passée par une15 vanne à débit minimal constant ( 13) ( 23). 8 Installation de combustion pulsée mettant en oeuvre le procédé selon une quelconque des revendications 1 à 6, du genre o un conduit d'alimentation en courant gazeux combustible ( 11) et/ou oxygène ( 21) pour brûleur oxycombustible est équipé d'un moyen de mis en pulsation dudit courant gazeux, caractérisée en ce que le moyen de pulsation d'un courant gazeux d'alimentation d'un brûleur comprend un générateur de débit électronique ( 31) ( 32). 9 Installation de combustion pulsée mettant en oeuvre le procédé selon une quelconque des revendications de 1 à 6, du genre o un conduit d'alimentation en courant gazeux combustible et oxygène ( 41-51) pour brûleur oxycombustible est équipé d'un moyen de mise en pulsation dudit courant gazeux, caractérisée en ce que le moyen de pulsation d'un courant gazeux d'alimentation d'un brûleur comprend un aileron ( 42) à oscillation alternative placée dans un conduit d'alimentation ( 41) dudit brûleur. Installation de combustion pulsée mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par une vanne fixe de pulsation de débit du type rotatif, avec un corps de vanne ( 61) et un boisseau rotatif ( 65) avec parois obturatrices ( 66-67 figure 15) ( 7172-73 figure 16) ( 81-82-83-84 figure 17) ( 91-92-93-94 figure 18) séparées par des lumières d'extensions angulaires variées respectivement ( 68 figure ) ( 74-75-76 figure 16) ( 85-86-87-88 figure 17) ( 95-96- 97-98 figure 18).