Brevet FR2680865A1 — publié le 19930305

Procédé et dispositif de production d'une flamme à haute température et four comprenant un tel dispositif La présente invention concerne un procédé de production d'une flamme à haute température, notamment pour les fours industriels à flamme nue, par combustion d'un mélange oxycombustible élaboré à partir de gaz naturel contenant de l'azote. Dans les procédés de combustion à flamme, il y a formation de trois polluants principaux : les oxydes de soufre, les oxydes d'azote et les poussières. On sait que les oxydes de soufre peuvent être pratiquement éliminés en utilisant du gaz naturel à la place du fuel. On sait également que, dans les procédés à haute température, la formation d'oxydes d'azote peut être notablement réduite en remplaçant l'air comburant préchauffé par de l'oxygène pur, c'est à dire sensiblement exempt d'azote. Toutefois, même en évitant les entrées d'air parasites, la combustion de gaz naturel avec de l'oxygène pur ne permet pas de supprimer totalement la formation d'oxydes d'azote en raison de la teneur en azote du gaz naturel, la production d'oxydes d'azote se révélant pratiquement proportionnelle à la teneur en azote du gaz naturel. Or cette teneur peut varier dans des proportions très importantes selon l'origine du gaz naturel (par exemple 0,3 % pour le gaz de Lacq, 3 % pour le gaz d'U.R.S.S. et 12 % pour le gaz de Groninge). La présente invention a pour objet de proposer un procédé amélioré de production d'une flamme à haute température par combustion de gaz naturel permettant de réduire notablement les émissions d'oxydes d'azote et de poussière sans augmentation substantielle des coûts de production et de fonctionnement. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, on fait passer le gaz naturel dans un dispositif de séparation des gaz, typiquement du type à adsorption ou à perméation, pour l'appauvrir en azote avant formation du mélange oxycombustible, le gaz naturel appauvri en azote étant typiquement mélangé avec de l'oxygène pur pour sa combustion. Avec un tel procédé, à rendement égal, le volume des fumées est sensiblement divisé par 4 et la production d'oxydes d'azote peut être réduite dans un rapport atteignant 70 selon la teneur initiale en azote du gaz naturel et les techniques de séparation utilisées. D'autre part, dans le procédé selon l'invention, on peut récupérer un gaz combustible enrichi en azote qui pourra être brûlé à basse température avec de l'air, par exemple dans une chaudière, dans des conditions ne générant donc sensiblement pas d'oxydes d'azote additionnels. La présente invention a également pour objet un dispositif de production d'une flamme à haute température comprenant au moins un brûleur alimenté en mélange oxycombustible à partir d'une source de gaz naturel contenant de l'azote, comprenant entre le brûleur et la source de gaz naturel, un dispositif de séparation de gaz, du type à adsorption dans un lit d'adsorbant ou à perméation à travers une membrane, fournissant en sortie du gaz naturel appauvri en azote. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec le dessin annexé, sur lequel la figure unique représente schématiquement une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. On reconnaît, sur la figure unique, un four de traitement thermique à haute température 1, par exemple un four de fusion de verre ou un incinérateur, comprenant au moins un brûleur 2 produisant dans le four 1 une flamme 3 à haute température, typiquement supérieure à 2500 K et une cheminée d'évacuation des fumées 4. Le brûleur 2 est relié à une source d'oxygène pur 5, par exemple un réservoir d'oxygène liquide, et à un réseau de gaz naturel 6. Selon l'invention, le réseau de gaz naturel 6 est relié à l'entrée d'un dispositif de séparation de gaz 7 ayant une sortie de fourniture de produit 8, en l'occurrence du gaz naturel appauvri en azote, et une sortie 9 de fourniture de gaz résiduaire, en l'occurrence du gaz naturel enrichi en azote. L'oxygène pur provenant de la source 5 et le gaz naturel appauvri en azote provenant de la sortie 8 du dispositif de séparation 7 sont acheminés au brûleur 2 via des dispositifs de réglage de débit et de pression 10 et 11, respectivement, pour réaliser un mélange oxycombustible typiquement stoechiométrique. Selon un aspect de l'invention, la sortie 9 du dispositif de séparation 7 est reliée à un dispositif de combustion à moyenne température 12, par exemple une chaudière ou une turbine où le gaz naturel enrichi en azote provenant de la sortie 9 est brûlé avec de l'air froid 13. Dans un premier exemple de réalisation, le dispositif de séparation 7 est constitué d'un ensemble de modules de perméation à membrane, par exemple en polyimide. Ainsi, avec un gaz naturel comprenant 97 % de méthane et 3 % d'azote, disponible sous une pression de 5 x 105 Pa, avec un débit de 200 m3/heure (correspondant à un four 1 de 2 MW), on obtient en sortie de produit 8 du dispositif de séparation 7 un débit de 20 à 60 m3/heure, sous une pression d'environ 4 x 105 Pa, d'un mélange gazeux constitué d'environ 99 % de méthane et de 1 % d'azote et, en sortie de résiduaire 9, un débit de 3 180 à 140 m /heure sous une pression de 1 x 105 Pa d'un mélange gazeux constitué d'environ 96 % de méthane et de 4 % d'azote. On obtient ainsi, dans le four 1, une combustion produisant moins de 200 ppm d'oxydes d'azote alors que la combustion du gaz naturel disponible au réseau se serait traduite par une production de plus de 700 ppm d'oxydes d'azote. Dans un deuxième exemple de réalisation, le dispositif de séparation 7 est un dispositif d'adsorption fonctionnant en mode PSA ("Pressure Swing Adsorption") cinétique et contenant une quantité 3 d'environ 1 m3 de particules d'adsorbant en tamis moléculaire carboné, par exemple du type commercialisé sous l'appellation CMS par Bergbauforschung. Dans les mêmes conditions d'alimentation en gaz naturel que précédemment, on obtient en sortie 8 du dispositif 3 d'adsorption 7 un débit de 80 à 120 m3/ heure sous une pression de 4 x Pa Pa d'un mélange gazeux constitué, comme précédemment, d'environ 99 % de méthane et de 1 % d'azote et, en sortie 9 du dispositif de séparation 7, un débit de 120 à 80 m3/heure sous pression atmosphérique d'un résiduaire contenant en moyenne 95 % de méthane et 5 % d'azote. Des performances similaires sont obtenues avec des adsorbants constitués de certaines zéolithes, par exemple la clinoptilolite à cations magnésium. Dans un troisième exemple de réalisation, analogue au second, le dispositif d'adsorption 7 est un adsorbeur fonctionnant en mode PSA équilibré avec cycle sous vide utilisant comme adsorbant un charbon actif ou une zéolithe choisie de préférence parmi les adsorbants microporeux à charpente zéolithique électriquement neutre ou faiblement chargée tels les zéolithes riches en silicium, par exemple du type ZMS ou silicalite, ainsi que les ALPO et dérivés zéolithiques. Dans ce mode de réalisation, l'extraction de produit en sortie 8 s'effectue au moyen d'une pompe à vide, ce qui impose, dans la ligne conduisant au brûleur, l'adjonction d'un compresseur, lequel sera avantageusement entraîné, comme la pompe à vide, par l'énergie disponible dans le poste de combustion annexe 12. Dans les mêmes conditions d'alimentation en gaz naturel que précédemment, on obtient en sortie de produit 8 du dispositif de séparation 7 un débit de 150 à 190 m3/heure d'un mélange gazeux constitué d'environ 99 % de méthane et de 1 % d'azote, et en sortie 9, un débit de 3 50 à 10 m3/heure d'un mélange gazeux constitué de plus de 50 % de méthane et d'azote. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée pour autant mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'une flamme à haute température (3) par combustion d'un mélange oxycombustible élaboré à partir de gaz naturel contenant de l'azote (6), caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de faire passer le gaz naturel dans un dispositif de séparation des gaz (7) pour l'appauvrir en azote avant formation du mélange oxycombustible. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de séparation (7) est du type à adsorption. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de séparation (7) est du type à perméation. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz naturel appauvri en azote est mélangé avec de l'oxygène pur. 5. Procédé selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de brûler à basse température (12) le mélange gazeux enrichi en azote disponible en sortie (9) du dispositif de séparation (7). 6. Dispositif de production d'une flamme à haute température (3), comprenant au moins un brûleur (2) alimenté en mélange oxycombustible à partir d'une source de gaz naturel contenant de l'azote (6), caractérisé en ce qu'il comprend, entre le brûleur (2) et la source de gaz naturel (6), un dispositif de séparation de gaz (7) fournissant en sortie (8) du gaz naturel appauvri en azote. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de séparation (7) est du type à adsorption dans un lit d'adsorbant. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'adsorbant est choisi dans le groupe constitué de zéolithes et de charbon actif. 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'unité de séparation de gaz (7) est du type à perméation à membrane. 10. Four de traitement à haute température, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendications 6 à 9.