Brevet FR2709812A1 — publié le 19950317

La présente invention concerne les procédés de combustion du type comprenant les étapes d'éjecter, via un brûleur, au moins un flux de gaz combustible et au moins un flux de gaz comburant oxygéné. La plupart des procédés de combustion sont confrontés à des problèmes de production non désirée de NOx, l'azote provenant de l'air dans les procédés de combustion à l'air, ou d'entrées d'air parasites ou des combustibles et comburants eux-mêmes dans le cas de combustions à l'oxygène. De nombreuses techniques ont été proposées pour réduire la production de NOx, notamment pour diminuer la température maximum de la flamme ou pour allonger la flamme. On citera ainsi les techniques de recyclage des fumées au brûleur, d'étagement de la combustion ou de pulsation des fluides de combustion. Ces différentes techniques conviennent dans certaines applications particulières mais ne sont pas satisfaisantes dans la plupart des applications, notamment pour des installations de petite puissance. La présente invention a pour objet de proposer un procédé de combustion permettant, de façon souple et aisément modulable, pour une large gamme de gaz de combustion, d'obtenir un allongement de la flamme et donc un abaissement de la température maximum pour réduire ainsi de façon significative la quantité de NOx formée. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le procédé comporte l'étape d'éjecter en outre au moins un flux d'un desdits gaz sous forme liquide. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - dans un procédé de combustion o le gaz comburant est l'air, le gaz injecté sous formes liquide et gazeuse est du gaz contenant du méthane, typiquement du gaz naturel; - dans les procédés de combustion à l'oxygène, le gaz injecté sous forme liquide est l'oxygène. Le document DD-A-70.049 (Boschnakow), de 1968, décrit un procédé d'oxycoupage de pièces métalliques o, pour obtenir une largeur de coupe réduite et une profondeur de coupe accrue, on éjecte un flux d'oxygène liquide sous pression. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à 2 2709812 titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec le dessin annexé, sur lequel: la figure unique représente schématiquement un équipement de brûleur pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Sur cette figure, on reconnaît une structure de brûleur, désignée généralement par la référence 1, disposée dans une ouverture traversante 2 d'une paroi 3 d'un four ou dans une enceinte thermique. Dans le mode de réalisation représenté, le brûleur comprend un tube externe 4 et-un tube interne concentrique 5 muni chacun d'au moins un conduit 6, 7, respectivement, d'amenée d'un gaz de combustion éjecté via l'ouverture 2 dans l'enceinte thermique 3. Dans le tube central 5 s'étend, par exemple coaxialement centralement, une canne d'injection 8 se terminant par une tête d'éjection à orifice calibré 9 pour éjecter dans l'enceinte 3 un jet cohérent et à grande vitesse de gaz liquéfié 10 provenant d'une source 1 1 dudit gaz sous forme gazeuse ou sous forme liquide, la canne 8 étant alimentée par une conduite 12 isolée thermiquement, sous vide et/ou avec circulation d'un fluide cryogène de refroidissement. La Demanderesse a démontré que, avec un tel type de brûleur, le jet cohérent de gaz liquéfié 10 pouvait traverser sur une assez grande longueur une zone à haute température, notamment la zone de flamme générée par l'éjection des gaz par les tubes 4 et 5. Le gaz de combustion ainsi propulsé sous forme liquide peut donc réagir avec les gaz éjectés à plus grande distance de la sortie du brûleur que ces derniers. On obtient ainsi un allongement modulable de la flamme aisément adaptable, en fonction de la proportion de gaz liquéfié éjecté, de sa pression d'éjection et de la configuration de l'injecteur, à la géométrie de l'enceinte à chauffer et à la configuration de flamme que l'on désire. Dans un premier exemple de réalisation, on citera un four rotatif de fusion de métaux avec un brûleur alimenté en gaz naturel et en oxygène pur. Avec un débit volumique d'oxygène double de celui du gaz naturel, on obtient dans les conditions habituelles de marche, une flamme d'une longueur d'environ 1,5 mètre. En injectant en outre, via la canne d'injection 8, un débit d'oxygène liquide correspondant à environ 30 % de l'oxygène total nécessaire (le solde d'oxygène étant injecté sous forme gazeuse à la façon habituelle), le jet d'oxygène liquide traverse la zone de flamme et n'est complètement vaporisé qu'à une distance supérieure à 2 mètres du nez de brûleur, o il achève la combustion. La flamme prend ainsi une longueur d'environ 4 mètres, et sa température maximum est diminuée d'environ C. Dans cet exemple de réalisation, l'oxygène fourni au tube 4 et à la canne 8 provient d'une même source d'oxygène sous pression, typiquement de 15 x 105 Pa, délivré par un évaporateur, la partie d'oxygène adressée à la canne 8 traversant, à la sortie de l'évaporateur, un refroidisseur 14 refroidi par un fluide cryogénique 15, par exemple de l'azote. Cet exemple de réalisation, avec injection d'une partie (entre 15 et 35 %)de l'oxygène total sous forme liquide, soit un rapport entre les débits massiques d'oxygène liquide et d'oxygène gazeux compris entre 18 et 55 %, convient à la plupart des fours de fusion de métaux, aux fours à émaux ou aux fours de verre. Dans un autre exemple de réalisation, convenant pour une chaudière, le brûleur 1 est alimenté en gaz naturel et en air. Le gaz naturel, à une pression typiquement de 5 à 10 x 105 Pa, est adressé au tube 5 et à la canne 8, le circuit d'alimentation de cette dernière traversant également un échangeur 14 refroidi par de l'azote liquide pour liquéfier le gaz naturel. La partie de gaz naturel injectée sous forme liquide est comprise entre 10 et 30 %, typiquement d'environ 20 %, du gaz naturel fourni au brûleur, soit un rapport entre les débits massiques de gaz naturel liquéfié et de gaz naturel gazeux étant compris entre 10 et 45 %, typiquement de l'ordre de 25 %. En variante, le brûleur peut être alimenté directement en gaz naturel liquéfié, auquel cas le refroidisseur 14 est supprimé et le tube 5 est remplacé par un tube atomiseur pulvérisant le gaz naturel liquéfié en fines gouttelettes autour du jet central 10. Dans ce mode de réalisation, le procédé selon l'invention permet une réduction globale atteignant 50 % des NOx émis par la combustion du gaz naturel. Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le nombre de jets de gaz de combustion liquéfié peut être multiplié et la répartition géométrique de ces jets par rapport aux flux de gaz de combustion éjectés adaptée selon les besoins. 4 2709812 REVENDICATIONS 1. Procédé de combustion comprenant les étapes d'éjecter, via un brûleur (1), au moins un flux de gaz combustible et au moins un flux de gaz comburant oxygéné, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes d'éjecter en outre au moins un flux d'un desdits gaz sous forme liquide (10) 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz comburant est l'air, le gaz éjecté sous formes liquide et gazeuse étant du gaz contenant du méthane. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport entre les débits massiques des flux de gaz injectés sous forme liquide et gazeuse est compris entre 10 et 45 %. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz comburant est de l'oxygène qui est éjecté sous formes liquide et gazeuse. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz combustible est du gaz contenant du méthane. 6. Procédé selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport entre les débits massiques des flux de gaz injectés sous formes liquide et gazeuse est compris entre 18 et 55 %. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie du flux de gaz liquéfié est injectée centralement (10) en bout du brûleur (1). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le brûleur (1) équipe une chaudière. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 et 4 à 6, caractérisé en ce que le brûleur (1) équipe un four de fusion de métaux. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 et 4 à 6, caractérisé en ce que le brûleur (1) équipe un four de verre.