Brevet FR2788110A1 — publié le 20000707

La présente invention a pour objet un procédé de combustion d'un combustible dans un brûleur du type comprenant un injecteur, lequel injecteur comporte au moins un premier passage intérieur d'amenée de comburant, un passage intermédiaire d'amenée de combustible entourant extérieurement le premier passage d'amenée de comburant, et un deuxième passage extérieur d'amenée de comburant entourant extérieurement le passage d'amenée de combustible. L'invention s'applique en particulier à l'apport de chaleur dans les procédés d'élaboration de matériaux. De nombreux procédés d'élaboration de matériaux tels que le verre et les métaux ferreux ou non-ferreux font intervenir des étapes de chauffage o on utilise des brûleurs du type précité avec, par exemple, du méthane comme combustible et de l'oxygène comme comburant. Les flammes produites par ces brûleurs doivent respecter certaines contraintes. Par exemple, dans les procédés d'élaboration du verre, du verre fondu est généralement transféré entre deux étapes successives du procédé par l'intermédiaire de canaux ou " feeders ". Dans un tel canal, le verre situé à proximité des parois du canal tend à se refroidir beaucoup plus vite que le verre plus éloigné de ces parois. En conséquence, il est souhaitable de pouvoir ré- chauffer la périphérie du verre sans réchauffer le coeur de ce dernier, pour maintenir un profil de température sensiblement homogène dans les sections du matériau fondu. A cette fin, des brûleurs du type précité sont disposés dans les pa- rois de ces canaux de transfert. Malheureusement, les procédés de combustion connus utilisant les brûleurs du type précité ne permettent pas toujours de régler la longueur des flammes produites pour chauffer de manière satisfaisante les sections du matériau fondu canalisé. Tel est le cas pour le procédé décrit par le document EP-A-763 692 o les vitesses de sortie de l'injecteur du combustible et de l'oxygène interne sont relativement élevées. De manière analogue, les procédés de combustion connus ne per- mettent pas de respecter les contraintes concernant les concentrations des es- pèces oxydantes CO et 02, liées à la longueur de la flamme, en sortie des brû- leurs disposés à proximité des bains de matériaux fondus dans les procédés d'élaboration de métaux. L'invention a pour but de résoudre ces problèmes en fournissant un procédé de combustion pour un brûleur du type précité permettant de régler finement la longueur de la flamme et des concentrations d'espèces chimiques dans celle-ci, notamment CO et 02. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de combustion d'un combustible dans un brûleur du type précité, caractérisé en ce qu'on alimente le passage d'amenée de combustible de sorte que la vitesse de sortie du combus- tible de ce passage soit comprise entre environ 1 et 15 m/s. Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - on alimente le passage d'amenée de combustible de sorte que la vitesse de sortie du combustible de ce passage soit supérieure à environ 5 m/s; - on alimente le premier passage d'amenée de comburant et le pas- sage d'amenée de combustible de sorte que le rapport R entre la vitesse de sor- tie du comburant du premier passage d'amenée du comburant et la vitesse de sortie du combustible du passage d'amenée de combustible soit supérieur à en- viron 3; - on alimente le premier passage d'amenée de comburant et le pas- sage d'amenée de combustible de sorte que le rapport R soit inférieur à environ ; - on alimente le premier passage d'amenée de comburant et le pas- sage d'amenée de combustible de sorte que le rapport R soit inférieur à environ ; - on alimente le deuxième passage d'amenée de comburant de sorte que la vitesse de sortie du comburant de ce deuxième passage soit comprise entre environ 0,1 et 50 m/s et de préférence entre environ 1 et 5 m/s. - on alimente les premier et deuxième passages d'amenée de combu- rant de sorte que moins de 50%, et de préférence moins d'environ 20%, du débit total de comburant passe par le premier passage d'amenée de comburant; - on alimente en air un passage périphérique de l'injecteur, lequel passage périphérique entoure extérieurement le deuxième passage d'amenée de comburant; - on alimente les premier et deuxième passages d'amenée de combu- s rant en oxygène de pureté supérieure à 80%; et - on alimente le passage d'amenée de combustible essentiellement en hydrocarbure gazeux, notamment en méthane ou en butane. L'invention a également pour objet une utilisation d'un procédé tel que défini ci-dessus pour permettre, en modifiant la proportion du débit total de com- burant passant par le premier passage d'amenée de comburant, un réglage de la longueur d'une flamme de chauffage d'un canal de transfert de verre fondu lors de l'élaboration de verre. En outre, I'invention a pour objet une utilisation d'un procédé tel que défini ci-dessus pour permettre, en modifiant la proportion du débit total de com- is burant passant par le premier passage d'amenée de comburant, un réglage du pouvoir oxydant d'une flamme de chauffage produite lors de l'élaboration de métal. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique transversale, partiellement en coupe, d'un brûleur destiné à mettre en oeuvre un procédé selon l'invention; - les figures 2 et 3 sont des diagrammes illustrant respectivement les possibilités de réglage de la proportion relative de CO dans la flamme et de la longueur de la flamme en sortie du brûleur de la figure 1 grâce à un procédé selon l'invention, et - la figure 4 est une vue schématique partielle agrandie, en coupe transversale, de l'extrémité aval d'une variante du brûleur de la figure 1. La figure 1 représente schématiquement un brûleur 1 comprenant un injecteur 2 inséré dans l'orifice ou ouvreau 3 axisymétrique d'un bloc 4 en matériau réfractaire. Ce bloc 4 est lui-même monté dans la paroi d'un four ou, par exem- ple, d'un " feeder " d'une installation d'élaboration de verre. L'injecteur 2 comprend essentiellement trois tubes coaxiaux 5, 6 et 7 d'axe X-X et de sections circulaires. Le tube intérieur 5 délimite intérieurement un premier passage inté- rieur 8 d'amenée de comburant. Le tube intermédiaire 6 entoure extérieurement le tube 5 et délimite avec celui-ci un passage intermédiaire 9 d'amenée de com- bustible. Le tube extérieur 7 entoure extérieurement le tube intermédiaire 6 et délimite avec celui-ci un deuxième passage extérieur 10 d'amenée de combu- rant. Une source 12 de comburant, par exemple de l'oxygène (02) de pu- 1O reté supérieure à 80%, est reliée par l'intermédiaire de vannes 13 et 14 respecti- vement aux extrémités amont (à gauche sur la figure 1) des passages 8 et 10 d'amenée de comburant. Une source de combustible 15, par exemple du méthane gazeux (CH4), est reliée par l'intermédiaire d'une vanne 16 à l'extrémité amont (à gauche sur la figure 1) du passage 9 d'amenée du combustible. Les extrémités aval des tubes 5 à 7 sont sensiblement alignées transversalement à l'axe X-X en délimitant ainsi une face aval ou de sortie 17 de l'injecteur 2. Toutefois, et comme décrit dans le document EP-A-763 692 précité, les extrémités aval des tubes 5 à 7 peuvent être décalées le long de l'axe XX et l'un des tubes 5 à 7 peut être désaxé par rapport aux autres tubes. L'ouvreau 3 comprend une partie amont 18 de section circulaire et une partie aval 19 de forme générale tronconique divergeant vers l'aval. L'extrémité aval de l'injecteur 2 est insérée dans la partie amont 18 de l'ouvreau 3. La face aval 17 de l'injecteur 2 est située au niveau de la jonction des parties amont 18 et aval 19 de l'ouvreau 3. L'ouvreau 3 et l'injecteur 2 sont coaxiaux. En fonctionnement, une veine du combustible éjectée du passage 9, d'une part, entoure extérieurement une veine d'oxygène provenant du pas- sage intérieur 8 et, d'autre part, est entourée extérieurement par une autre veine d'oxygène provenant du passage extérieur 10. Une flamme est formée en sortie de l'injecteur 2 par la combustion du CH4 en présence de 1'02. Lors de la réaction de combustion, 1'02 est consommé pour former du CO puis du C02 et de l'eau (H20) à partir du CH4. Ainsi, la concentration axiale (selon l'axe X-X) d'O2 diminue pro- gressivement depuis la sortie de l'injecteur 2 vers l'extrémité aval de la flamme formée, tandis que la concentration de C02 augmente. La concentration de CO augmente puis diminue depuis la sortie de l'injecteur 2 jusqu'à l'extrémité aval de la flamme. Ainsi, la concentration axiale de CO a un profil général en pic. Les vannes 13 et 14 permettent de faire varier la quantité d'oxygène passant respectivement dans les passages 8 et 10 d'amenée de comburant, et donc de régler les vitesses de l'oxygène en sortie de ces passa- ges 8 et 10. Les vannes 13 et 14 permettent également de régler la répartition i0 du débit total d'oxygène entre le premier passage 8 et le deuxième passage 10 d'amenée de comburant. La vanne 16 permet de faire varier la quantité de mé- thane passant dans le passage 9 d'amenée de combustible et donc de régler la vitesse du méthane en sortie de ce passage 9. Selon un premier exemple, on règle la vanne 16 de sorte que la vi- tesse du combustible en sortie du passage 9 soit d'environ 11 m/s. La figure 2 est un diagramme qui illustre les possibilités de réglage des caractéristiques de la flamme ainsi offertes. Sur ce diagramme, I'axe des abscisses représente la proportion P d'O2 injecté dans le passage intérieur 8 par rapport à 1'02 total injecté dans les passages 8 et 10. L'axe des ordonnées représente la proportion de CO par rap- port à toutes les espèces présentes dans l'axe X-X de la flamme à 0,635 m de la sortie de l'injecteur 2. Une première courbe de mesure, en pointillés, correspond à un procédé de combustion mis en oeuvre avec un brûleur 1 dont le tube intérieur 5 a un diamètre intérieur d'environ 2 mm et le tube intermédiaire 6 a un diamètre intérieur d'environ 15 mm. La puissance du brûleur 1 est d'environ 60 kW ce qui correspond environ à l'injection de 6 Nm3/h de CH4 et à l'injection totale de 12 Nm3/h d'O2. Pour P = 0%, la proportion de CO est d'environ 25%. La flamme produite mesure donc plus de 0,635m. On constate qu'elle mesure en fait envi- ron lm. Cette première courbe décroît de manière relativement prononcée quand P varie d'environ 0 à 15%. Cette décroissance correspond à la partie dé- croissante du profil général en pic de la concentration axiale en CO dans la flamme. En conséquence, plus la proportion P augmente, plus la longueur de la flamme produite diminue, et cette variation est relativement importante quand P varie entre 0 et 15%. Il est donc possible de régler la longueur de la flamme produite en jouant sur P. La vitesse de 1'02 en sortie du passage interne 8 est d'environ 212 m/s et 33 m/s quand P vaut respectivement environ 20 % et 3,10 %. Ainsi, le rapport R entre la vitesse de 1'02 en sortie du passage interne 8 et la vitesse du 0o CH4 en sortie du passage 9 vaut environ 19,3 et 3 quand P vaut respectivement % et 3,1 %. La deuxième courbe de mesure, en trait fort, correspond à un pro- cédé de combustion qui se distingue de celui de la première courbe en ce qu'il est mis en oeuvre sur un brûleur 1 dont le tube intérieur 5 a un diamètre intérieur d'environ 3,5 mm. Quand P = 0%, la proportion en CO est légèrement supérieure à %. Pourtant, on devrait trouver la même proportion en CO que pour la courbe en pointillés, c'est-à-dire 25%. En effet, pour P = 0%, les conditions d'injection sont les mêmes pour la courbe en pointillés et la courbe en trait fort puisqu'on n'injecte pas de comburant par le premier passage 8. La légère différence ob- servée à P = 0% est liée à l'incertitude de la mesure. Cette deuxième courbe en trait fort a un profil en pic, avec, d'une part, une partie croissant relativement fortement quand P varie entre O et envi- ron 10% et, d'autre part, une partie décroissant relativement fortement quand P varie entre environ 10 et 20%. Les parties croissante et décroissante de la deuxième courbe correspondent respectivement aux parties croissante et dé- croissante du profil général en pic de la concentration axiale en CO dans la flamme produite. Le rapport R a une valeur d'environ 3 quand P vaut 10% et d'environ 6 quand P vaut 20%. La longueur de la flamme produite diminue quand P varie de 0 à environ 20 %. Il est donc possible de régler la longueur de la flamme produite de manière plus fine que dans le cas de la première courbe en pointillés. La troisième courbe de mesure, en trait mixte, correspond à un pro- cédé de combustion, mis en oeuvre dans le brûleur 1 de la première courbe, et o la vitesse du méthane en sortie du passage 9 est d'environ 75 m/s. La troisième courbe est sensiblement une droite horizontale. Quand P = 0%, la proportion en CO est d'environ 2%. La troisième courbe cor- respond donc à la queue du profil général en pic de la concentration axiale en CO dans la flamme produite. Ainsi, la possibilité de faire varier la proportion de CO au point de mesure choisi et donc la longueur de la flamme est sensiblement nulle. Au contraire, pour les deux premières courbes, cette possibilité existe du fait des profils non constants présentés par ces courbes. La figure 3 illustre, pour le procédé correspondant à la courbe en trait fort de la figure 2, la variation de la proportion relative en CO par rapport aux autres espèces présentes dans l'axe de la flamme X-X pour différentes pro- portions P d'injection d'oxygène entre les passages intérieur 8 et extérieur 10. L'abscisse représente la distance séparant le point de mesure de la sortie de l'injecteur 2. Les courbes de mesure 21 à 26 correspondent respectivement au cas o la proportion P d'oxygène injecté dans le passage 8 par rapport à I'oxygène total injecté est d'environ 0%, 10%, 12,5%, 15%, 17,5% et 20%. Chacune des courbes 21 à 26 a un profil en pic. On constate que lorsque la proportion P d'oxygène injecté dans le passage intérieur 8 augmente, le pic de CO tend à se rapprocher de la sortie de l'injecteur 2. La longueur de la flamme diminue alors, la combustion étant plus rapide et la température en sortie de l'injecteur 2 étant plus importante. On constate donc qu'en jouant sur la répartition de l'oxygène in- jecté entre les passages intérieur 8 et extérieur 9 d'amenée du comburant, on peut régler de manière précise la longueur de la flamme et la concentration axiale du CO, et donc de 1'O2 et du CO2, dans celle-ci. Pour obtenir les meilleures possibilités de réglage, la vitesse de sortie du combustible du passage intermédiaire 9 doit être comprise entre envi- ron 1 et 15 m/s, et de préférence entre environ 5 et 15 m/s, et le rapport de vi- tesses R doit être compris entre 3 et 20 et de préférence entre 3 et 10. Ainsi, avec une vitesse de combustible en sortie du passage inter- médiaire 9 relativement faible et un rapport de vitesse R relativement élevé, le cisaillement entre la veine intérieure de comburant et la veine de combustible est relativement important. Cette caractéristique permet de faire varier très finement la longueur de la flamme, cette longueur diminuant lorsque le cisaillement aug- mente du fait de l'augmentation des turbulences et d'un mélange plus intime de la veine intérieure d'oxygène et la veine de combustible. Pour améliorer encore les possibilités de réglage, la vitesse de sor- tie du comburant du deuxième passage doit être comprise entre environ 0, 1 et 0o 50 m/s et de préférence entre environ 1 et 5 m/s. Enfin, il apparaît que les possibilités de réglage sont accrues lors- que la proportion P est comprise entre 0 et 50% et de préférence entre 0 et 20%. Un tel procédé de combustion est utilisable en particulier dans les procédés d'élaboration des matériaux. Par exemple, grâce aux possibilités de réglage accrues des con- centrations d'espèces oxydantes CO et 02 en sortie de l'injecteur 2, en jouant sur la proportion P, ce procédé de combustion est particulièrement adapté au procédés d'élaboration des métaux. Pour une telle application, le procédé est de préférence mis en oeuvre sur un brûleur 1, tel que celui de la figure 4, dont l'injecteur 2 comprend un quatrième tube 26 entourant extérieurement le tube 7 de manière à délimiter avec le tube 7 un passage 27 de canalisation d'une veine extérieure d'air. Ce procédé de combustion est également particulièrement adapté pour chauffer le verre fondu lorsqu'il est canalisé dans des " feeders " dans les procédés d'élaboration du verre. En effet, ce procédé va permettre par exemple d'obtenir une flamme suffisamment courte en sortie de l'injecteur 2, en jouant sur la proportion P, pour ne pas chauffer le coeur du verre fondu canalisé par un " feeder ". REVENDICATIONS 1. Procédé de combustion d'un combustible dans un brûleur (1) du type comprenant un injecteur (2), lequel injecteur comporte au moins un premier passage intérieur (8) d'amenée de comburant, un passage intermédiaire (9) d'amenée de combustible entourant extérieurement le premier passage (8) d'amenée de comburant, et un deuxième passage extérieur (10) d'amenée de comburant entourant extérieurement le passage (9) d'amenée de combustible, caractérisé en ce qu'on alimente le passage (9) d'amenée de combustible de sorte que la vitesse de sortie du combustible de ce passage soit comprise entre I0 environ 1 et 15 m/s. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on alimente le passage (9) d'amenée de combustible de sorte que la vitesse de sortie du combustible de ce passage soit supérieure à environ 5 m/s. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on ali- mente le premier passage (8) d'amenée de comburant et le passage (9) d'amenée de combustible de sorte que le rapport R entre la vitesse de sortie du comburant du premier passage (8) d'amenée du comburant et la vitesse de sor- tie du combustible du passage (9) d'amenée de combustible soit supérieur à en- viron 3. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on alimente le premier passage (8) d'amenée de comburant et le passage d'amenée (9) de combustible de sorte que le rapport R soit inférieur à environ 20. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on alimente le premier passage (8) d'amenée de comburant et le passage d'amenée (9) de combustible de sorte que le rapport R soit inférieur à environ 10. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caracté- risé en ce qu'on alimente le deuxième passage d'amenée de comburant (10) de sorte que la vitesse de sortie du comburant de ce deuxième passage soit com- prise entre environ 0,1 et 50 m/s et de préférence entre environ 1 et 5 m/s. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caracté- risé en ce qu'on alimente les premier (8) et deuxième (10) passages d'amenée de comburant de sorte que moins de 50%, et de préférence moins d'environ O10 %, du débit total de comburant passe par le premier passage (8) d'amenée de comburant. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracté- risé en ce qu'on alimente en air un passage périphérique (28) de l'injecteur (2), lequel passage périphérique entoure extérieurement le deuxième passage (10) d'amenée de comburant. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caracté- risé en ce qu'on alimente les premier (8) et deuxième (10) passages d'amenée de comburant en oxygène de pureté supérieure à 80%. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, carac- térisé en ce qu'on alimente le passage d'amenée de combustible essentielle- ment en hydrocarbure gazeux, notamment en méthane ou en butane. 11. Utilisation d'un procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10 pour permettre, en modifiant la proportion du débit total de combu- is rant passant par le premier passage (8) d'amenée de comburant, un réglage de la longueur d'une flamme de chauffage d'un canal de transfert de verre fondu lors de l'élaboration de verre. 12. Utilisation d'un procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10 pour permettre, en modifiant la proportion du débit total de combu- rant passant par le premier passage (8) d'amenée de comburant, un réglage du pouvoir oxydant d'une flamme de chauffage produite lors de l'élaboration de métal.