Brevet FR2825777A1 — publié le 20021213

DISPOSITIF ET PROCEDE DE COMBUSTION PAR LANCE A RECIRCULATION Domaine technique et art antérieur L'invention concerne le domaine des techniques de combustion, en particulier des techniques d'oxy-combustion. L'invention peut être utilisée dans tous les domaines d'oxycombustion, notamment en métallurgie ou en fusion des matériaux ferreux ou non-ferreux, notamment l'aluminium, où il peut se produire une oxydation du produit dans un milieu d'oxy-combustion. Un autre domaine d'application est celui des cimenteries. La mise en oeuvre d'une injection d'oxygène au moyen d'une lance dans une combustion, est connue et utilisée depuis longtemps. Il peut s'agir d'injection à très grande vitesse ou à faible vitesse, près d'une injection de combustible ou éloignée de celle-ci. On cherche ainsi à faire réagir localement cet oxygène avec du combustible ou des produits de combustion dans une enceinte. L'oxygène arrive pur, ou faiblement dilué, et froid. Il génère, à son arrivée dans le four, une zone fortement concentrée en oxygène, qui ". peut réagir avec le combustible si celui-ci est proche. Il peut également avoir une réaction avec la charge. Cette dernière réaction d'oxydation est, selon la nature de la charge, source de défauts ou de dégradations de la qualité du produit élaboré. En particulier, une quantité trop importante d'oxygène peut résulter en une oxydation de la charge plutôt qu'en une réaction avec le combustible. De plus, l'oxygène ainsi introduit est en général froid, ce qui réduit le rendement de combustion. Il est plus difficile de chauffer préalablement l'oxygène car celui-ci est alors trop agressif vis-à-vis de son environnement. Enfin, l'injection faite, généralement à grande vitesse, peut être la source d'envols à la surface de la charge. Les documents US-5 186 617 et EP-731 327 décrivent des techniques selon lesquelles une zone de turbulence ou une recirculation des fumées est créée dans le four dans lequel se produit également la combustion. Il faut, pour cela, envoyer ou projeter dans le four un jet d'oxygène à grande vitesse, avec le problème mentionné ci-dessus. Les documents US 4 277 942 et 4 613 299 décrivent aussi des procédés de recirculation à l'intérieur d'un four. Les documents US-3 556 497 et US-5 104 310 décrivent des lances à oxygène dans lesquelles l'oxygène est projeté à vitesse sonique, puis mélangé, en sortie de lance, avec le combustible. Aucun de ces documents ci-dessus ne décrit une technique pouvant résoudre les problèmes mentionnés plus haut (réaction avec la charge, rendement de combustion non optimum, envol à la surface de la charge). Par ailleurs un problème actuellement très critique, au moins pour des raisons environnementales, est celui de la réduction des quantités de composés NOx produits en sortie d'un four ou d'une enceinte de combustion. Il se pose donc le problème de trouver un nouveau procédé et un nouveau dispositif d'injection de gaz dans un four. Il se pose également le problème de trouver un procédé et un dispositif d'injection de gaz dans un four permettant de résoudre les problèmes ci-dessus. Il se pose également le problème de trouver un procédé et un dispositif de combustion, et/ou un procédé et un dispositif d'injection de gaz dans un four, permettant de réduire les quantités de NOx produits en sortie du four. Exposé de l'invention L'invention concerne d'abord un procédé d'injection d'oxygène ou de combustible gazeux, à l'aide d'une lance, dans un four en vue d'une combustion, dans lequel on mélange, avant son introduction dans le four, au moins une partie de l'oxygène ou du combustible à injecter, avec des produits de combustion ou des fumées provenant du four. L'invention concerne également un procédé d'injection d'oxygène et de gaz combustible, dans un four en vue d'une combustion, dans lequel : - au moins une partie de l'oxygène est injectée par une première lance et est mélangée avant son introduction dans le four, avec des produits de combustion ou des fumées provenant du four, - et au moins une partie du gaz combustible est injectée par une deuxième lance, et est mélangée, avant son introduction dans le four, avec des produits de combustion ou des fumées provenant du four. L'oxygène et/ou le combustible gazeux étant dilué (s) par les produits de combustion ou les fumées avant d'arriver dans le four, on diminue ou on ralentit les phénomènes d'oxydation, du fait de l'abaissement de la pression partielle d'oxygène et/ou du combustible. La diminution de la pression partielle a également pour conséquence une réduction des niveaux de température normalement obtenus dans les réactions de combustion. Cet effet a, à son tour, pour conséquence la diminution de la production de Nox lors de la combustion. De plus, comme le ou les gaz injecté (s) est (ou sont) mélangé (s) avec des produits du four, sa (ou leur) température augmente, augmentant ainsi le rendement de combustion. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'énergie cinétique du gaz dans la lance, ou dans chaque lance, est utilisée, avant arrivée du gaz dans le four, pour créer localement une dépression permettant l'aspiration des produits de combustion provenant du four ou, dans une configuration différente, permettant l'aspiration des fumées après leur évacuation. L'invention concerne donc également un procédé de projection d'oxygène ou de combustible gazeux à l'aide d'une lance, ou d'oxygène et de combustible gazeux à l'aide d'au moins deux lances, dans un four en vue d'une combustion, dans lequel on produit, avant entrée de l'oxygène et/ou du combustible gazeux dans le four, une dépression autour de la lance ou de chaque lance, et on aspire des produits de combustion à l'aide de cette dépression. Cette dépression peut être créé à l'aide d'un venturi. On peut ainsi en outre réduire la vitesse d'injection de l'oxygène et/ou du combustible gazeux. L'invention concerne également un dispositif d'injection d'oxygène ou d'un combustible gazeux dans un four, comportant une lance de projection d'oxygène ou du combustible, et des moyens pour mélanger des produits ou des fumées du four avec un jet d'oxygène ou de combustible projeté par la lance, avant son injection dans le four ou sa projection hors du dispositif. Selon un mode de réalisation, des moyens permettent d'aspirer, dans le dispositif, des produits de combustion ou des fumées provenant du four. Ces moyens comportent par exemple des moyens pour former une dépression, par rapport à l'atmosphère d'un four, autour de l'extrémité de la lance, ou près du jet d'oxygène ou de combustible gazeux, à sa sortie de la lance. A cette fin, on utilise avantageusement un venturi disposé autour d'une extrémité de la lance. Avantageusement, la lance a un diamètre D1 et le dispositif comporte un conduit, de diamètre D2, pour amener à l'extérieur du dispositif un jet d'oxygène ou de combustible gazeux projeté ou injecté par la lance, le rapport D1/D2 étant compris entre 1 et 20, ou encore entre 2 et 10. L'invention concerne également un dispositif d'injection d'oxygène ou de combustible dans un four, comportant un bloc de maintien, une lance maintenue dans ledit bloc, un venturi convergent disposé en sortie de la lance, un premier conduit pour amener à l'extérieur du bloc un jet d'oxygène ou de combustible projeté par la lance et au moins un second conduit reliant l'extérieur du bloc et la section normale du venturi. Enfin, l'invention concerne également un dispositif d'injection d'oxygène et de gaz combustible dans un four, comportant au moins un dispositif d'injection d'oxygène tel que ci-dessus, et au moins un dispositif d'injection de gaz combustible tel que ci-dessus. Brève description des fiqures Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées, sur lesquelles : tes figures 1 et 2 représentent deux modes de réalisation l'invention, ta figure 3 est un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention, ta figure 4 représente un brûleur de type connu, ta figure 5 représente un brûleur de type connu, avec une lance classique d'injection d'oxygène, ta figure 6 représente un brûleur de type connu, avec une lance selon l'invention, tes figures 7 à 9 représentent des résultats de mesures comparatifs, ta figure 10 représente un autre mode de réalisation de l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un dispositif 4 selon l'invention, dans lequel un jet 3 d'oxygène ou de combustible gazeux projeté par une lance 2 (par exemple à vitesse sonique ou supersonique) est utilisé pour créer une dépression représentée par les flèches 6,8 de part et d'autre du jet. Dans le cas du combustible gazeux, celui-ci peut être par exemple du propane ou bien un gaz naturel tel que du CH4. Au moins un conduit d'aspiration 10,12, permet d'aspirer, du fait de cette dépression, des gaz dans le four 11, et notamment du C02 et de la vapeur d'eau. Ces produits sont mélangés avec le jet 3 à la sortie de la lance 2. L'oxygène ou le combustible gazeux est donc à la fois dilué et réchauffé par ces produits en provenance du four. La figure 2 représente schématiquement un second mode de réalisation d'un dispositif 14 selon l'invention, dans lequel un jet 3 d'oxygène ou de combustible gazeux projeté par une lance 2 est utilisé pour créer une dépression représentée par les flèches 16,18 de part et d'autre du jet 2. Au moins un conduit d'aspiration 20 permet d'aspirer, du fait de cette dépression, des fumées en sortie de four 11 ou de cheminée, et notamment du C02 et de la vapeur d'eau. Ces produits sont mélangés avec le jet 3 d'oxygène ou de combustible gazeux en sortie de la lance 2. Dans les deux cas exposés ci-dessus, l'oxygène ou le combustible gazeux projeté par la lance (de préférence à vitesse sonique ou supersonique) est donc à la fois dilué et réchauffé par des produits en provenance du four (gaz ou fumées). La figure 3 représente un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Sur cette figure, la lance comporte un tube 2, par exemple un tube métallique, qui permet d'injecter un jet 30 d'oxygène ou de combustible gazeux. D1 représente le diamètre du tube, et donc du jet 30 en sortie de tube. Un venturi convergent 32 est disposé en sortie du tube : sa section normale est tournée vers la sortie de la lance 2. Son diamètre de sortie (section rétrécie) est D2, supérieur à 01. Les conduits 40, 42, de diamètre D3, permettent d'amener les gaz de combustion, provenant du four, au voisinage de la lance. Une dépression est créée par rapport à la pression interne du four 44, cette dernière étant, lors du fonctionnement du four, légèrement supérieure à la pression atmosphérique, ou de l'ordre de 1 à 2 mbar. Cette dépression est obtenue par dimensionnement approprié du venturi 32 (section normale, section rétrécie et longueur). Selon un exemple de réalisation, on prend un rapport D2/D1 tel que : 1 On peut utiliser également un dimensionnement par les surfaces, les diamètres D1, D2 étant respectivement associés à des surfaces S1, S2, et S3 étant la surface totale des entrées 40, 42. Dans ces conditions, on utilise un rapport S3/S2 tel que : 0. 5 L'injecteur d'oxygène ou de combustible gazeux 2 est positionné dans le bloc de façon à ce que le jet 30 d'02 ou de combustible, sortant de la lance 2 avec un angle de 11 , entre dans le canal 34 de sortie des produits, de diamètre D2. Ce dernier se situe dans le prolongement ou dans l'axe du tube ou de la lance 2 La distance L, entre la sortie de la lance 2 et l'entrée du canal 34 est donc en fait fonction du diamètre de la lance 2. L'ensemble est réalisé dans un bloc 46 en matière réfractaire, les canaux 40,42 étant par exemple inclinés d'un angle d'environ 150 par rapport à l'axe du canal 34 et du canal 35 d'amenée d'oxygène ou de combustible gazeux. Pour évaluer l'efficacité du procédé selon l'invention, les NOx sont mesurés en sortie d'un four pilote. On mesure également T1 et T2 qui caractérisent la température des produits de combustion aspirés dans la lance, dans chacun des canaux 40,42. A titre comparatif, 3 types de brûleur sont utilisés. Un premier brûleur est un brûleur classique, type bi-tube. Ce brûleur 50 est représenté schématiquement sur la figure 4. Il comporte un canal central 52 d'amenée et de projection ou d'injection de combustible, et un canal périphérique 54 d'amenée et de projection ou d'injection d'oxygène. Le réglage de la combustion est stoechiométrique. On utilise aussi une deuxième configuration, illustrée sur la figure 5, mettant en oeuvre un brûleur tel que celui de la figure 4 et, en outre, une lance simple 56 à oxygène. On utilise enfin une troisième configuration, illustrée sur la figure 6, mettant en oeuvre un brûleur tel que celui de la figure 4 et, en outre, un dispositif à recirculation selon l'invention, ce dispositif injectant de l'oxygène. Sur la figure 6 ce dispositif à recirculation porte les mêmes références que sur la figure 1. On peut comparer les NOx produits par le brûleur 50 par rapport aux NOx produits par l'ensemble de la figure 5 puis par l'ensemble de la figure 6. Les tableaux 1, Il et III ci-dessous consignent les résultats obtenus. La température de voûte du four utilisé est de 1400 C, et la puissance du brûleur est de 100 kW Débit de Gaz dans le brûleur 9.7 Nm3/h Débit d'Oxygène dans le brûleur 19 Nm3/h Débit d'Oxygène dans la lance 0 Nm3/h Recirculation Non NOx 3 195 ppm T1 600 oc T2 630 OC Tableau 1 : brûleur fonctionnant seul Débit de Gaz dans le brûleur 9.7 Nm3/h 9.7 Nm3/h Débit d'Oxygène dans le brûleur 14 Nm3/h 10 Nm3/h Débit d'Oxygène dans la lance 5 Nm3/h 9 Nm3/h Recirculation Non Non NOx 2 508 ppm (-21 %) 1 181 ppm (-63 %) T1 4700C 470 oC T2 500 OC 500 OC Tableau Il : brûleur fonctionnant avec lance mais sans re circulation Débit de Gaz dans le brûleur 9.7 Nm3/h 9.7 Nm3/h Débit d'Oxygène dans le brûleur 14 Nm3/h 10 Nm3/h Débit d'Oxygène dans la lance 5 Nm3/h 9 Nm3/h Recirculation Oui Oui NOx 1 557 ppm (-51 %) 665 ppm (-79 %) T11 075 C1150 C T2 1 0900C 1 175 oC Tableau ttt : brûleur fonctionnant avec la lance à re circulation Les figures 7 et 8 montrent respectivement l'évolution, en fonction du temps, au cours de la mesure, des concentrations en NOx (figure 7, courbe 1) et en 02 (courbe H, figure 7) dans les fumées produites par la combustion et des températures T1 et T2 (figure 8) ainsi que de la température T (figure 8) dans le conduit d'oxygène 34 (figure 3). Lorsque la recirculation est supprimée (à environ t = 2200 s sur les figures), les températures T1 et T2 chutent (les capteurs de température sont toujours dans les conduits 40,42 mais il n'y a plus d'aspiration de gaz du four). La température T chute alors également, l'oxygène n'etant plus réchauffé par des gaz de recirculation du four. De même la concentration en NOx augmente alors à nouveau. Il apparaît qu'avec environ 50% d'oxygène étagé dans la lance, et sans recirculation (brûleur de la figure 5), les NOx sont réduits de 63%. Avec environ 50% d'oxygène étagé dans un dispositif selon l'invention (donc avec recirculation, brûleur de la figure 6), on diminue les NOx de 79%. Le procédé d'injection d'oxygène selon l'invention, avec recirculation des produits de combustion, permet donc de diminuer de manière significative la production des NOx. Le niveau de réduction de l'oxydation obtenu est attribué à l'aspiration des produits de combustion, avec lesquels le jet d'oxygène est dilué. La figure 9 montre le bénéfice résultant de l'utilisation d'un procédé d'injection selon l'invention. La comparaison des deux solutions (avec recirculation : courbe 1 ; sans recirculation : courbe ii) montre que la réduction de NOx est, du fait de la recirculation, accrue d'environ 40 %, notamment pour un étagement supérieur à 20% ou compris entre 20% et 40%. Les mêmes effets (température, réduction des NOx) peuvent être obtenus en utilisant l'un des combustible gazeux au lieu de l'oxygène. Un schéma identique à celui de la figure 6 peut alors être utilisé, le jet 2 étant dans ce cas un jet de combustible gazeux au lieu d'un jet d'oxygène. Selon une variante, illustrée sur la figure 10, on peut aussi utiliser deux lances 60,62 à recirculation, l'une pour l'oxygène ou une partie de l'oxygène et l'autre pour un combustible gazeux ou une partie d'un combustible gazeux. Dans chacune de ces lances, une partie des produits de combustion est aspirée par les canaux 10,12 ou 10-1, 12-1 et est mélangée au gaz correspondant (oxygène ou combustible). Pour chacune des lances 60,62, on peut aussi remplacer le schéma illustré sur la figure 1 par celui de la figure 2, auquel cas on aspire des fumées en sortie de four ou de cheminée. Cette variante permet de réaliser une combustion à jets séparés et à fluides dilués. D'une manière plus générale, on peut aussi réaliser et utiliser plus de deux lances à recirculation, pour diluer au moins une partie d'un ou de plusieurs combustibles et/ou au moins une partie de l'oxygène avec des produits de combustion ou des fumées provenant de la sortie du four ou de la cheminée. On réalise ainsi encore une combustion à jets séparés et à fluides dilués. L'invention s'applique par exemple à la fusion du verre pour la partie réaction avec la charge. Elle s'applique à la production de tout verre sensible au redox. Elle s'applique aussi à tout four de fusion ou de réchauffage (aciérie, fusion des métaux et des non-métaux, émaux, ciment...). L'invention peut être mise en oeuvre dans une combustion mixte aéro oxy-combustible. On peut aussi utiliser l'oxygène pré-dilué dans des brûleurs d'oxy-combustion. Un dispositif selon l'invention peut aussi être mis en oeuvre de façon à enrichir localement une flamme aero-combustible ou peut être utilisé dans certains fours afin de diluer l'oxygène arrivant dans la partie haute du brûleur. REVENDICATIONS 1. Procédé d'injection d'oxygène ou de gaz combustible à l'aide d'une lance (2), dans un four (11) en vue d'une combustion, dans lequel on mélange, avant son introduction dans le four, au moins une partie de l'oxygène ou du gaz combustible à injecter avec des produits de combustion ou des fumées provenant du four. 2. Procédé d'injection d'oxygène et de gaz combustible, dans un four (11) en vue d'une combustion, dans lequel : - au moins une partie de l'oxygène est injectée par une première lance (62) et est mélangée, avant son introduction dans le four, avec des produits de combustion ou des fumées provenant du four, - et au moins une partie du gaz combustible est injectée par une deuxième lance (60), et est mélangée, avant son introduction dans le four, avec des produits de combustion ou des fumées provenant du four. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel une dépression (6,8) est produite, par rapport à la pression dans le four, autour de l'extrémité de la lance ou de chaque lance, ou près du jet d'oxygène et/ou du jet de gaz combustible et en sortie de la lance ou de la lance correspondante, pour aspirer une partie des produits de combustion ou des fumées du four. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, l'oxygène et/ou le gaz combustible étant injecté à vitesse sonique ou supersonique. 5. Procédé de combustion d'oxygène et de gaz combustible dans un four (11), comportant : - une première injection, dans le four (11), d'oxygène et de gaz combustible, à l'aide d'un brûleur (50), - une deuxième injection, dans le four (11), d'oxygène et/ou de gaz combustible selon un procédé selon l'une des revendications 1 à 4. 6. Dispositif d'injection d'oxygène ou de gaz combustible dans un four (11), comportant une lance (2) d'injection d'oxygène ou de gaz combustible, et des moyens (10,12, 20,32, 40,42) pour mélanger des produits ou des fumées du four avec un jet d'oxygène ou de gaz combustible, à sa sortie de la lance et avant sa projection hors du dispositif. 7. Dispositif selon la revendication 6, comportant des moyens (32) pour aspirer, dans le dispositif, des produits de combustion ou des fumées provenant du four. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, comportant des moyens (32) pour former une dépression, par rapport à l'atmosphère d'un four, autour de l'extrémité de la lance (2), ou près du jet d'oxygène ou de gaz combustible, à sa sortie de la lance. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, comportant un venturi (32) disposé autour d'une extrémité de la lance. 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, la lance ayant un diamètre 01 et comportant un conduit (34), de diamètre D2, pour amener à l'extérieur du dispositif un jet d'oxygène ou de gaz combustible projeté par la lance, le rapport D2/D1 étant compris entre 1 et 20. 11. Dispositif selon la revendication 10, le rapport 02/01 étant compris entre 2 et 10. 12. Dispositif d'injection d'oxygène ou de gaz combustible dans un four (11), comportant un bloc de maintien (46), une lance (2) à oxygène ou à gaz combustible maintenue dans ledit bloc, un venturi convergent (32) disposé en sortie de la lance, un premier conduit (34) pour amener à l'extérieur du bloc un jet d'oxygène ou de gaz combustible projeté par la lance et au moins un second conduit (40,42) reliant l'extérieur du bloc et la section normale du venturi. 13. Dispositif selon la revendication 12, la lance (2) étant de diamètre D1, le premier conduit étant de diamètre D2, le rapport D2/D1 étant compris entre 1 et 20. 14. Dispositif selon la revendication 13, le rapport D2/D1 étant compris entre 2 et 10. 15. Dispositif d'injection d'oxygène et de gaz combustible dans un four (11), comportant au moins un dispositif d'injection d'oxygène (62) selon l'une des revendications 6 à 14, et au moins un dispositif d'injection de gaz combustible (60) selon l'une des revendications 6 à 14. 16. Dispositif de combustion d'oxygène et de combustible, comportant : - un brûleur (50), comportant des moyens (52,54) pour amener de l'oxygène et un combustible gazeux dans un four, - un dispositif (4,14, 60,62) d'injection d'oxygène et/ou de combustible gazeux selon l'une des revendications 6 à 15.