Brevet FR2782780A1 — publié le 20000303

L'invention est relative à un procédé pour brûler un combustible, dans lequel on injecte dans une zone de combustion au moins un jet de combustible et, à distance de celui-ci, au moins un jet principal d'un oxydant. Il est connu de USP 4,988,285 un procédé de combustion permettant de réduire la formation d'oxydes d'azote du type NOx, dans lequel on injecte dans une zone de combustion un jet de combustible, par exemple du gaz naturel, et un jet principal d'un oxydant, par exemple de l'air ou de l'air enrichi en oxygène, disposé à une faible distance du jet de combustible, de préférence comprise entre 4 à 20 fois le diamètre du jet d'oxydant principal.. La Demanderesse a cependant constaté qu'un tel procédé de combustion connu conduit à la production d'une quantité trop importante d'oxydes d'azote lorsque les jets de combustible et d'oxydant principal sont disposés à faible distance l'un de l'autre. Lorsqu'on éloigne l'un de l'autre les jets d'oxydant et de combustible pour réduire l'émission des oxydes d'azote, on se trouve alors confronté à des problèmes de stabilité de la combustion entretenue (la flamme peut s'éteindre par instants) et à la présence de combustible imbrûlé dans les fumées ce qui est également nocif pour l'environnement. L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé de combustion permettant d'obtenir une combustion stable, à faible émission d'oxydes d'azote, malgré une distance entre les jets d'oxydant et de combustible bien supérieure à celle décrite dans l'art antérieur tel que USP 4,988,285. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de combustion pour brûler un combustible, dans lequel on injecte simultanément dans une zone principale de combustion au moins un jet de combustible et à distance de celui-ci au moins un jet principal d'un oxydant, caractérisé en ce que l'on dispose le point d'injection de chaque jet principal d'oxydant par rapport au point d'injection du jet de combustible le plus proche de lui à une distance D satisfaisant l'une au moins des relations suivantes: D D > 5 (et de préférence > 10) et/ou D > 5 (et de préférence > 10) D étant définie comme la distance minimale entre le bord externe du jet d'oxydant considéré et le bord externe du jet de combustible le plus proche de lui, à leurs points respectifs d'injection, et A et B étant respectivement la section du jet principal de l'oxydant et la section du jet de combustible, les sections étant considérées au point d'injection des jets, de manière à maintenir les jets principal d'oxydant et de combustible séparés jusqu'à ce que ledit au moins un jet principal d'oxydant et/ou le jet de combustible ait entraîné une quantité d'un fluide environnant sensiblement inerte. De préférence, la quantité de fluide environnant entraîné est supérieure à cinq, encore plus préférentiellement à dix fois son propre débit. Selon une variante préférentielle, I'invention est caractérisée en ce que l'on injecte dans une zone auxiliaire de combustion située en amont de ladite zone principale de combustion au moins un jet auxiliaire d'un oxydant pour stabiliser la combustion dans ladite zone principale de combustion, le point d'injection dudit jet auxiliaire d'oxydant étant disposé à une distance Ds du jet associé de combustible, Ds satisfaisant à la relation suivante: D 10 et/ou D/B0 5 > 10, de façon à ce que le débit de l'un des jets au moins et de préférence de chaque jet (débit initial plus fluide environnant sensiblement inerte) soit au moins 3.6 fois le débit initial du jet entraînant. Selon un mode préférentiel de réalisation, le procédé est 2 0 caractérisé en ce que l'on régule le débit total d'oxydant injecté par lesdits jets principal et auxiliaire d'oxydant à une valeur supérieure au débit stoechiométrique d'oxydant nécessaire pour brûler tout le combustible injecté dans la zone de combustion par ledit au moins un jet de combustible. De préférence également, on régule le débit de l'oxydant injecté par ledit au moins 2 5 un jet auxiliaire à une valeur inférieure à 30%, de préférence compris entre 2% et 15% du débit total d'oxydant injecté dans la zone de combustion. Le procédé selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - on injecte symétriquement autour dudit au moins un jet de combustible, plusieurs jets principaux d'oxydant, - on injecte dans ladite zone de combustion deux jets principaux d'oxydant disposés diamétralement opposés par rapport à au moins un jet central de combustible, - on injecte dans ladite zone de combustion trois jets centraux de combustible, coplanaires avec les deux jets principaux d'oxydant disposés diamétralement opposés par rapport aux trois jets centraux de combustible, - on injecte dans ladite zone de combustion au moins un jet d'un premier combustible, notamment du gaz naturel, et au moins un jet d'un second combustible, notamment du fioul (le combustible peut être dans tous les cas, solide, liquide et/ou gazeux). Le terme "combustion sensiblement uniforme" signifie que l'on obtient une zone de combustion sensiblement uniforme caractérisée par un volume de zone de combustion au moins doublé par rapport à une flamme o les jets de combustible et d'oxydant se mélangent rapidement sans dilution préalable avec des produits de combustion, et un champ de température avec de faibles gradients dans le volume de la flamme, tel que, pour un oxydant composé d'oxygène pur, la température moyenne maximale est inférieure d'au 2 0 moins 500 C à la température adiabatique théorique du mélange combustible/oxydant. La quantité de mouvement totale (combustible + carburant) des jets de fluide rapportée à une unité de puissance (et qui sera donc exprimée en Newton/Megawatt) sera de préférence supérieure à environ 3 N/MW, de 2 5 manière à obtenir un mélange satisfaisant des gaz (la quantité de mouvement -ou "momentum"- est ici définie comme le produit d'un débit massique (kg/s) pour une vitesse (m/s). Le tableau ci-après (ramené à une puissance de brûleur de 1 MW) résume les différents résultats obtenus par une flamme oxygène/gaz naturel (de 1 MW): OXYGENE NATURAL GAS TOTAL Quantité de Quantité de Quantité de Vitesse Cas Vitesse mouvement mouvement mouvement (N) (/) (N) (N) 1 10 0.9 50 1.1 2.0 2 10 0.9 100 2.2 3.1 3 60 5.1 5 0.1 5.2 4 100 8.5 100 2.2 10.7 300 25.5 400 8.8 34.3 , Le cas 1 correspond à des vitesses d'injection très faibles pour l'oxydant et faible pour le gaz naturel. La pratique montre que les flammes produites sont sensibles aux forces de flottabilités et peuvent créer des points chauds sur la voûte d'un four, du fait du relèvement de la partie arrière de la flamme. Les cas 2 à 5 montrent différents exemples o le mélange des gaz est assuré par une quantité de mouvement apportée soit par les jets d'oxydant, soit par les jets de combustible, soit par les deux. Le terme fluide environnant sensiblement inrerte signifie le fluide (en général un gaz) situé à proximité du jet d'oxydant principal. En général, il est constitué par les gaz de combustion qui recirculent dans toute la zone de combustion ainsi qu'au voisinage des injections de fluides comburant et combustible, ces gaz de combustion étant plus ou moins dilué par l'air présent dans cette zone de combustion, air dont il ne reste en général que les espèces inertes (azote, argon) qui n'ont pas réagi avec le combustible. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma d'une installation de combustion pour la mise en oeuvre du procédé de combustion selon l'invention, La figure 2 est un schéma en vue de face de l'installation de la figure 1, La figure 3 est un schéma selon une vue identique à celle de la figure 2 d'une première variante d'une installation de combustion pour illustrer un développement du procédé selon l'invention, La figure 4 est un schéma selon une vue identique à celle de la figure 2 d'une seconde variante d'une installation de combustion pour illustrer un autre développement du procédé selon l'invention, et La figure 5 est un graphique montrant l'émission en oxydes d'azote d'une installation mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Les figures 1 et 2 illustrent un premier exemple de réalisation d'une installation de combustion pour la mise en oeuvre du procédé selon 2 0 l'invention. En référence à ces figures 1 et 2, I'installation 1 comprend, pour amorcer ou entretenir une combustion dans une zone principale de combustion 2, d'une part un injecteur 3 d'un jet central de combustible 4 (représenté en traits interrompus), comme par exemple un jet de gaz naturel, et d'autre part deux injecteurs identiques 5 et 6 de jets principaux d'un oxydant 7 et 8 (représentés en traits pleins), par exemple de l'air, éventuellement enrichi d'oxygène, ou de l'oxygène pur, disposés diamétralement opposés par rapport à l'injecteur 3 du jet central de combustible 4. Pour leur approvisionnement respectif, I'injecteur 3 est relié à une alimentation de combustible 9, et les injecteurs 5 et 6, à une alimentation d'oxydant 10. Par ailleurs, pour stabiliser la flamme et/ou faciliter le démarrage de l'installation 1, celle-ci comprend en outre un injecteur 13 d'un jet auxiliaire d'oxydant 14 (représenté en traits mixtes) dans une zone auxiliaire 2A de combustion (représentée par des hachures) située en amont de la zone principale 2 de combustion. Comme on le voit sur la figure, le jet auxiliaire 14 est disposé à proximité de l'injecteur 3 du jet central de combustible 4 et associé à celui-ci. L'injecteur 13 est également approvisionné par l'alimentation d'oxydant 10. Afin de pouvoir maîtriser aisément le débit total d'oxygène injecté par les jets principaux 7, 8 et auxiliaire 14 d'oxydant respectivement dans la zone 2 de combustion et dans la zone auxiliaire 2A de combustion, l'alimentation d'oxydant 10 comprend, reliés aux injecteurs d'oxydant 5, 6 et 13, des moyens 15 de répartition du débit total d'oxydant injecté en une première fraction alimentant les injecteurs 5 et 6 des jets 7 et 8 principaux d'oxydant et une seconde fraction, complémentaire à la première, alimentant l'injecteur 13 du jet auxiliaire d'oxydant 14. 2 0 Ces moyens 15 de répartition peuvent par exemple être réalisés par une conduite se piquant en dérivation sur une ligne principale d'alimentation en oxydant de l'alimentation 10 et dans laquelle est disposée une vanne pour réguler la fraction du débit total de l'oxydant alimentant l'injecteur auxiliaire 13. Ainsi que l'on voit sur la figure 2, les divers injecteurs 3, 5, 6 et 13 possèdent par exemple des orifices de sortie circulaires de manière à former des jets coniques s'élargissant dans leurs directions de projection respectives indiquées par des flèches 20, 22, 24, et 26 sur la figure 1. Mais on peut aussi prévoir d'autre formes d'orifices de sortie comme par exemple des orifices en forme de fente, d'ellipse, d'anneau ou autre pour modifier la forme des jets. Lors de la mise en ouvre du procédé selon l'invention, on injecte dans la zone principale 2 de combustion simultanément le jet central 4 de combustible et, à distance de celui-ci ainsi que diamétralement opposés par rapport à lui, les deux jets 7 et 8 principaux d'oxydant. On régule le débit total d'oxydant injecté par les jets principaux 7 et 8 et auxiliaire d'oxydant 14 de façon à ce qu'il soit supérieur au débit stoechiométrique d'oxydant nécessaire pour brûler tout le combustible injecté dans la zone de combustion 2 afin de réaliser une combustion complète, c'est-à-dire une combustion ne produisant pratiquement pas de combustible imbrûlé. Avantageusement, en régime stable de fonctionnement, on régule le débit d'oxydant injecté par le jet auxiliaire d'oxydant à une valeur inférieure à 30%, et de préférence à une valeur comprise entre 2 et 15% du débit total d'oxydant injecté dans la zone de combustion. Le jet central 4 de combustible est de préférence injecté avec une vitesse inférieure à 75m/s tandis que les deux jets 7 et 8 principaux d'oxydant sont injectés à une vitesse comprise de préférence entre 50 et 2 0 150m/s. En outre, on dispose les points d'injection définis par la disposition des divers injecteurs de combustible 3 et d'oxydant 5 et 6, de telle sorte que la distance D entre le point d'injection de chaque jet principal d'oxydant 7, 8 satisfait par rapport au point d'injection du jet de combustible 4 à la relation suivante: D > 5() 4>O Dans cette relation (I), D représente la distance minimale entre le bord externe du jet d'oxydant considéré, 7 ou 8, et le bord externe du jet de combustible 4 à leurs points respectifs d'injection (voir figure 2), et A représente la section du jet principal de l'oxydant considéré 7 ou 8 à son point d'injection. Ainsi, les jets d'oxydant 7 et 8 et de combustible 4 ne commencent à se mélanger qu'à partir d'une distance L des points d'injection respectifs, dans des zones 30, 31 de mélange représentées en gris. La séparation des jets sur cette distance L permet à ceux-ci, notamment aux jets 7 et 8 principaux d'oxydant, d'entraîner une quantité importante du fluide environnant sensiblement inerte, comme cela est représenté par des flèches 32 sur la figure 1. Cette quantité entraînée du fluide environnant est généralement supérieure à cinq, de préférence à dix fois le débit du jet entraînant ce fluide. Dans le cas o les jets sont injectés dans une chambre de combustion fermée, ce fluide environnant est composé principalement de produits de combustion. Du fait que le fluide environnant ne participe pas activement à la combustion et grâce à la quantité importante entraînée de ce fluide, on dilue le mélange oxydant / combustible dans les zones de mélange 30 et 31, et on 2 0 agrandit le volume occupé par la zone principale 2 de combustion. Ceci a pour effet d'homogénéiser la distribution spatiale du champ de température dans cette zone principale 2 de combustion et de diminuer la température moyenne dans celle-ci, de sorte que l'émission des oxydes d'azote est efficacement réduite. Pour optimiser d'avantage les conditions de combustion, la distance D satisfait en outre à la relation suivante: D > 5(Il) o Ac représente la section du jet de combustible à son point d'injection. Pour le démarrage et ensuite pour la stabilisation de la combustion, on injecte en outre dans la zone principale 2 de combustion, à une distance Ds du jet 4 associé de combustible, le jet auxiliaire d'oxydant 14. La stabilisation de la combustion dans la zone principale 2 est assurée par la présence de la zone auxiliaire 2A de combustion en amont, qui assure ainsi une région d'inflammation stable du mélange oxydant/combustible dans la zone 2. Ds satisfait à la relation suivante: D la section du jet auxiliaire d'oxydant 14 à son point d'injection. Bien entendu, dans toutes ces relations, les sections A, A., et As des jets à leurs points respectifs d'injection sont déterminées en prenant en compte leurs formes particulières géométriques. En particulier, si par exemple la taille de la section d'un des jets principaux d'oxydant est supérieure à celle de l'autre, les distances D minimales entres les bords externes des jets respectifs d'oxydant et de combustible peuvent également être différentes, à savoir un jet d'oxydant ayant une section plus petite peut être disposé plus près du jet de combustible que celui ayant une section plus grande. De plus, on peut prévoir plusieurs injecteurs de jets de combustible et plusieurs injecteurs de jets principaux d'oxydant. Dans ce cas, pour satisfaire à la relation (I), il faut considérer pour chaque jet principal d'oxydant le jet de combustible le plus proche de lui. Dans une configuration minimale de l'invention, on ne prévoit qu'un jet de combustible, un jet d'oxydant principal et un jet d'oxydant auxiliaire, la disposition des jets satisfaisant aux relations (I), (Il) et (111). En variante à l'installation des figures 1 et 2 et comme cela est représenté sur la figure 3, on peut par exemple prévoir deux injecteurs supplémentaires 37 et 38 de jets principaux d'oxydant. Ces injecteurs 37 et 38 ainsi que les injecteurs 5 et 6 sont disposés symétriquement autour de l'injecteur 3 du jet central 4 de combustible. Une telle configuration permet de réaliser une installation de combustion plus compacte du fait que l'on peut choisir des injecteurs d'oxydant principal de diamètre réduit et disposés plus près de l'injecteur de combustible tout en satisfaisant à la relation (I). La figure 4 montre en une vue de face identique à celle de la figure 2 une autre variante d'une installation 1 pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. L'installation de cette variante comprend trois injecteurs 50, 51 et 52 de trois jets d'un premier combustible, par exemple du gaz naturel, qui sont coplanaires avec des injecteurs 55 et 56 de jets principaux d'oxydant disposés diamétralement opposés par rapport aux injecteurs 50, 51 et 52, et un injecteur 53 d'un jet d'un second combustible, par exemple du fioul, disposé au dessus 2 0 des trois injecteurs 50, 51 et 52 des jets du premier combustible et permettant d'alterner le combustible utilisé. Bien entendu, les injecteurs 55 et 56 et par conséquent les jets d'oxydant principal projetés dans la zone de combustion par ceux-ci se trouvent, à leurs points respectifs d'injection, à une distance D minimale entre les bords externes par rapport au jet de combustible le plus proche, c'est-à- dire le jet projeté par l'injecteur 50 en ce qui concerne l'injecteur principal 55 et l'injecteur 52 en ce qui concerne l'injecteur principal 56, de façcon à respecter les relations (I) et (Il). De plus, deux injecteurs 57 et 58 de jets auxiliaires d'oxydant sont disposés au dessus des trois injecteurs 50, 51 et 52 des jets de combustible dont l'un 57 est associé aux injecteurs 50, 51 et 53 et dont l'autre 58 est associé aux injecteurs 51, 52 et 53. Ces injecteurs auxiliaires 57 et 58 se trouvent à une distance Ds minimale entre les bords externes des jets de combustible de fac,çon à respecter la relation (111). Bien entendu, dans toutes les variantes représentées sur les figures 1 à 4, on peut également envisager d'inverser l'alimentation des injecteurs de sorte que l'on injecte des jets d'oxydant à la place des jets de combustible et vice versa du moment que les relations (I), (Il) et (111) sont respectées. La figure 5 montre à titre indicatif un graphique représentant un résultat obtenu avec le procédé selon l'invention mis en oeuvre à l'aide d'une installation du type représentée sur les figures 1 et 2 et dans laquelle on pouvait ajuster la distance D définie plus haut des jets d'oxydant principal par rapport au jet central de combustible. Ce graphique montre la quantité d'oxydes d'azote (NOx) produite lors de la combustion en fonction du paramètre D/N/A défini plus haut. Sur ce graphique, on voit que la formation des oxydes d'azotes 2 0 diminue considérablement en fonction du paramètre D/IA. On voit clairement que pour les jets principaux d'oxydant dont la disposition respecte la relation D > 5, la réduction des émissions d'oxydes d'azote est importante. Grâce au procédé selon l'invention et en particulier à la disposition des jets principaux et auxiliaires d'oxydant par rapport aux injecteurs de combustible, on obtient une combustion stable et une émission réduite des oxydes d'azote. REVENDICATIONS 1. Procédé de combustion pour brûler un combustible, dans lequel on injecte simultanément dans une zone principale de combustion au moins un jet de combustible et à distance de celui-ci au moins un jet principal d'un oxydant, caractérisé en ce que l'on dispose le point d'injection de chaque jet principal d'oxydant par rapport au point d'injection du jet de combustible le plus proche de lui à une distance D satisfaisant l'une au moins des relations suivantes: DD > > 5 (et de préférence > 10) et/ou D > 5 (et de préférence > 10) D étant définie comme la distance minimale entre le bord externe du jet d'oxydant considéré et le bord externe du jet de combustible le plus proche de lui, à leurs points respectifs d'injection, et A et B étant respectivement la section du jet principal de l'oxydant et la section du jet de combustible, les sections étant considérées au point d'injection des jets, de manière à maintenir les jets principal d'oxydant et de combustible séparés jusqu'à ce que ledit au moins un jet principal d'oxydant et/ou le jet de combustible ait entraîné une quantité d'un fluide environnant sensiblement inerte de manière à obtenir une 2 0 combustion sensiblement uniforme. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce l'on injecte dans une zone auxiliaire de combustion située en amont de ladite zone principale de combustion au moins un jet auxiliaire d'un oxydant pour stabiliser la combustion dans ladite zone principale de combustion, le point d'injection dudit jet auxiliaire d'oxydant étant disposé à une distance Ds du jet associé de combustible, Ds satisfaisant à la relation suivante: - 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la quantité de fluide environnant entraîné est supérieure à cinq, encore plus préférentiellement à dix fois son propre débit. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que selon un mode préférentiel de réalisation, le procédé est caractérisé en ce que l'on régule le débit total d'oxydant injecté par lesdits jets principal et auxiliaire d'oxydant à une valeur supérieure au débit stoechiométrique d'oxydant nécessaire pour brûler tout le combustible injecté dans la zone de combustion par ledit au moins un jet de combustible. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on régule le débit de l'oxydant injecté par ledit au moins un jet auxiliaire à une valeur inférieure à 30 %, de préférence compris entre 2 % et 15 % du débit total d'oxydant injecté dans la zone de combustion. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on régule le débit total d'oxydant injecté par lesdits jets principal et auxiliaire d'oxydant à une valeur supérieure au débit stoechiométrique d'oxydant nécessaire pour brûler tout le combustible injecté dans la zone de combustion par ledit au moins un jet de combustible. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce 2 5 que l'on régule le débit de l'oxydant injecté par ledit au moins un jet auxiliaire à une valeur inférieure à 30%, de préférence compris entre 2% et 15% du débit total d'oxydant injecté dans la zone de combustion (2). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on injecte symétriquement autour dudit au moins un jet de combustible (4), plusieurs jets principaux d'oxydant (5,6,37,38). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on injecte dans ladite zone de combustion deux jets principaux d'oxydant (5, 6) disposés diamétralement opposés par rapport à au moins un jet central de combustible (4). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on injecte dans ladite zone de combustion trois jets centraux de combustible, coplanaires avec les deux jets principaux d'oxydant disposés diamétralement opposés par rapport aux trois jets centraux de combustible. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'on injecte dans ladite zone de combustion au moins un jet d'un premier combustible, notamment du gaz naturel, et au moins un jet d'un second combustible, notamment du fioul.