Brevet FR2834774A1 — publié le 20030718

BRULEUR ET PROCEDE POUR LA REDUCTION DE L'EMISSION DES NOx DANS UN FOUR DE VERRERIE La présente invention est relative à un procédé et dispositif de combustion dans lequel l'alimentation en combustible est assurée par au moins un brûleur équipé d'au moins un injecteur. L'invention a plus particulièrement été conçue en relation avec les problèmes rencontrés dans te domaine de ta fusion du verre dans les fours de verrerie, notamment les fours pour ta fabrication de verre creux d'emballage ou les fours pour la fabrication de verre plat flotté, par exemple les fours fonctionnant en inversion du type de ceux utilisant des régénérateurs (récupérateurs d'énergie) mais elle n'est pas pour autant limitée à de telles applications. La plupart des procédés de combustion du type précité notamment ceux utilisés dans les fours de verrerie sont confrontés à des problèmes d'émission non désirée de NOx dans les fumées de combustion. Les NOx ont une influence néfaste à ta fois sur t'être humain et sur l'environnement. En effet, d'une part te N02 est un gaz irritant à la source des maladies respiratoires. D'autre part, au contact de l'atmosphère, ils peuvent former progressivement des pluies dites acides. Enfin, ils engendrent une pollution photochimique puisqu'en combinaison avec les composés organiques volatiles et le rayonnement solaire, les NOx sont à l'origine de ta formation de l'ozone dite troposphérique dont l'augmentation de concentration à basse attitude devient nocive pour l'être humain, surtout en période de forte chaleur. Toutes ces raisons font que les normes en vigueur au sujet des NOx deviennent de plus en plus exigeantes. Or, du fait même de l'existence de ces normes, les fabricants de four, tels que ceux des fours verriers, se préoccupent, de manière constante, de limiter au maximum les émissions de NOx, de préférence à un taux inférieur à 500 mg/m3 dans les fumées. Les paramètres qui influent sur la formation des NOx ont déjà été analysés. Il s'agit essentiellement de la température, car au-delà de 1300 C, l'émission des NOx croît de manière exponentielle, de l'excès d'air puisque la concentration des NOx dépend de la racine carrée de celle de l'oxygène ou encore de la concentration en N2. De nombreuses techniques ont déjà été proposées pour réduire l'émission des NOx. Une première technique consiste à faire intervenir un agent réducteur sur les gaz émis afin que les NOx soient convertis en azote. Cet agent réducteur peut être de l'ammoniac mais on connaît les inconvénients engendrés tels que ta difficulté de stocker et manipuler un tel produit. Il est également possible d'utiliser un gaz naturel comme agent réducteur, mais cela se fait au détriment de la consommation du four et augmente les émissions de CÔ2. Il est donc préférable, sans que cela soit obligatoire, de s'affranchir de cette technique en adoptant des mesures dites primaires. Ces mesures sont ainsi appelées car on ne cherche pas à détruire les NOx déjà formés, comme dans la technique décrite ci-dessus, mais plutôt à diminuer leur formation, par exemple au niveau de la flamme. Ces mesures peuvent ne pas se substituer complètement à la technique précitée mais la compléter avantageusement. Ces mesures permettent de toute façon de diminuer la consommation de réactifs des mesures secondaires. Les mesures existantes peuvent être classées de manière non limitative en plusieurs catégories : - une première catégorie consiste à réduire la formation de NOx à l'aide de la technique dite de rebuming par laquelle on crée une zone en défaut d'air au niveau de la chambre de combustion d'un four. Cette technique présente en outre l'inconvénient d'augmenter la température au niveau des empilages de régénérateurs et, le cas échéant, de prévoir une conception spécifique des régénérateurs et de leurs empilements, tout particulièrement en termes d'étanchéité et de résistance à la corrosion ; - une deuxième catégorie consiste à agir sur la flamme en empêchant, à tout le moins en réduisant la formation des NOx à son niveau. Pour cela, on peut par exemple chercher à réduire l'excès d'air de combustion. Il est également possible de chercher à limiter les pics de température en maîtrisant la longueur de flamme, et à augmenter te volume du front de flammes pour réduire la température moyenne au sein de la flamme. Une telle solution est par exemple décrite dans ta demande de brevet internationale WO 98/02386 A 1. Elle consiste en un procédé de combustion pour la fusion du verre, dans lequel l'alimentation en combustible et l'alimentation en comburant s'effectuent toutes deux de manière à étaler dans te temps te contact combustibte/comburant et/ou à augmenter te volume de ce contact en vue de réduire l'émission des NOx. Le but de l'invention est la mise à disposition d'un nouveau procédé et dispositif de combustion dans lesquels les possibilités et facilités susmentionnées pour étaler dans te temps te contact combustible/comburant sont accrues, et qui permettent de contrôler les longueurs et volumes de flammes à un degré inconnu jusqu'alors. La finalité recherchée est de réduire l'émission des NOx. A cette fin, l'invention a pour objet un brûleur équipé d'au moins un injecteur, apte à mettre en oeuvre un procédé de combustion, notamment pour la fusion du verre ; ce brûleur se distingue particulièrement par te fait que l'injecteur comporte au moins trois conduits coaxiaux d'amenée de combustibles identiques ou différents. Ainsi est-il rendu possible, en sélectionnant ta nature des trois combustibles et leurs impulsions respectives en sortie de buse, de brûler consécutivement les trois combustibles, en commençant par celui qui est en contact avec te comburant (air secondaire) en sortie de buse, puis les deux autres par ordre d'éloignement croissant à l'air secondaire. Les trois combustions correspondent schématiquement à des fractions successives de longueur de flamme. Le dispositif de l'invention accroît les facilités d'adaptation de ta longueur et du volume de flamme à la longueur et la géométrie du four, de manière notamment à limiter les pics de température. Des niveaux remarquablement faibles d'émissions de NOx en découlent, comme il sera vu dans la suite. Les conduits coaxiaux d'amenée au sens de l'invention ont des sections de périmètres circulaires, rectangulaires, elliptiques, ou plus ou moins déformés par rapport à de telles géométries. Selon d'autres caractéristiques avantageuses du brûleur de l'invention : - au moins deux desdits trois conduits sont annulaires ; - l'un desdits trois conduits est cylindrique et axial ; - l'un desdits conduits coaxiaux est destiné à l'amenée d'un combustible liquide sous ta forme d'un jet creux, et circonscrit à son voisinage immédiat par un conduit annulaire coaxial d'amenée d'un fluide de pulvérisation dudit combustible liquide, présenté par l'injecteur ; - lesdits trois conduits coaxiaux d'amenée de combustibles, dans l'ordre d'éloignement croissant à t'axe du brûleur, sont respectivement dédiés à un liquide tel que fuel, un premier gaz tel que gaz naturel à pression relativement élevée, un second gaz identique au premier ou différent, à pression relativement basse. L'invention a pour autres objets : - un procédé de combustion, notamment utilisé pour la fusion de verre, dans lequel l'alimentation en combustible est assurée par au moins un brûleur équipé d'au moins un injecteur et tel que décrit précédemment ; - l'application du brûleur ou du procédé de l'invention pour réduire l'émission des NOx, plus particulièrement dans un four de verrerie, notamment à un four de fusion de verre destiné à la fabrication de produits creux ou à la production de verre plat, le four étant notamment destiné, dans ce dernier cas, à alimenter un float ; - un four de verrerie mettant en oeuvre un brûleur selon l'invention, notamment un four fonctionnant en inversion du type de ceux utilisant des régénérateurs ou récupérateurs d'énergie, parmi lesquels peuvent être cités un four à brûleurs transversaux notamment utilisé dans la production de verre plat et de produits creux en verre, et un four à boucle notamment utilisé pour la production de produits creux en verre. L'invention est illustrée par l'exemple de réalisation suivant comprenant la description de la figure unique en annexe représentant en coupe la tête d'un injecteur équipant un brûleur selon l'invention, puis des résultats obtenus par la mise en oeuvre de tels brûleurs dans un four à boucle pour la fusion de verre destiné à la fabrication de bouteilles ou flacons. En référence à la figure, l'injecteur 1 se compose de quatre alimentations en fluide, à savoir respectivement le conduit d'amenée du combustible liquide 2, celui du fluide de pulvérisation 3 du combustible liquide, celui du gaz combustible à pression relativement élevée 4 et celui du gaz combustible à pression relativement basse 5. La partie axiale interne de l'injecteur comprenant le conduit d'amenée du combustible liquide 2 et celui du fluide de pulvérisation 3 est identique à l'injecteur faisant l'objet de la demande de brevet EP 0 921 349 A1, incorporée dans la présente demande à titre de référence. Le combustible liquide utilisé dans le cadre de l'invention est un combustible fossile liquide couramment utilisé dans les dispositifs de combustion pour chauffer les matières vitrifiables dans un four de verrerie. Il peut par exemple s'agir de fioul lourd. Le fluide de pulvérisation est, de même, celui que l'on trouve de manière usuelle sur les installations courantes et qui sert à pulvériser te combustible liquide précité. Cela peut par exemple être de l'air (appelé dans ce cas air primaire par opposition à t'air secondaire qui sert de comburant principal). Il peut également s'agir de gaz, d'oxygène (dans le cas d'une oxycombustion) ou de vapeur. Les conduits d'amenée du combustible liquide 2 et du fluide de pulvérisation 3 précités sont respectivement reliés, en amont de l'écoulement de chacun des deux fluides, à un circuit provenant d'une source de combustible liquide et une source de fluide de pulvérisation non représentées. Le conduit d'amenée de combustible liquide 2 est constitué essentiellement d'un tube cylindrique 21 au bout duquel est vissée une buse 22. Celle-ci comporte à son extrémité aval une chambre de giration 23 de forme tronconique prolongée par un embout 24 de paroi interne cylindrique. A l'intérieur de la buse 22 se trouve disposé un cylindre 26 monté de manière étanche en butée contre la chambre de giration 23. Le cylindre 26 comporte des canaux 27 cylindriques uniformément répartis sur sa circonférence et dont les génératrices font un angle approximatif de 200 avec l'axe de l'injecteur, par exemple. Le conduit d'amenée de fluide de pulvérisation 3, quant à lui, se compose essentiellement d'un tube cylindrique 31 au bout duquel est vissé un bloc 32 percé d'un orifice de forme permettant l'emboîtement avec auto-centrage d'une partie de la buse 22. A la traversée du cylindre 26, le combustible liquide, amené via le tube cylindrique 21, est divisé en autant de jets individuels qu'il y a de canaux tangentiels 27. Les jets individuels arrivent ensuite dans la chambre de giration 23 en venant frapper ses parois. Comme expliqué de manière plus détaillée dans la demande européenne précitée, le combustible liquide suit une trajectoire hélicoïdale en se mettant sous ta forme d'un jet creux épousant quasiparfaitement la paroi interne cylindrique de l'embout 24. A la sortie de ce dernier, le combustible liquide éclate en gouttelettes très fines sous l'influence du liquide de pulvérisation. Les conduits d'amenée du gaz combustible à pression relativement élevée 4, respectivement basse 5, sont constitués d'un tube cylindrique 41 au bout duquel est vissé une buse 42, respectivement d'un tube cylindrique 51 au bout duquel est vissé une buse 52. Les axes des buses 22,42 et 52 ainsi que du bloc 32 sont confondus. On équipe un four de fusion de verre creux d'emballage du type fonctionnant en inversion, plus spécifiquement un four à boucle, de deux injecteurs tels que décrits ci-dessus du côté gauche du four, et de deux injecteurs identiques du côté droite du four, les deux groupes d'injecteurs étant disposés symétriquement par rapport à un plan vertical comprenant l'axe du four, à même hauteur. Ces deux groupes ne sont activés que consécutivement. La marche du four est caractérisée par les valeurs suivantes, indiquées pour 1 m2 de sole : 'Tirée : 3,29 t/jour, 50% du verre provenant de calcin ; Puissance fioul : 88,9 k W ; Puissance gaz naturel : 74,1 kW ; : Impulsion fioul : 6,67. 10-2 N ; * Impulsion gaz naturel haute pression : 7, 16. 10-2 N ; * Impulsion gaz naturel basse pression : 1, 73. 10-2 N. De l'air est utilisé comme comburant. On mesure la quantité de NOx rejetés à la cheminée, une flamme étant produite par mise en activité des injecteurs installés côté gauche, puis des injecteurs installés côté droit du four ; on mesure respectivement 499 mg et 446 mg de NOx rejeté. Ainsi l'invention met elle à disposition un procédé de combustion et son dispositif de mise en oeuvre permettant de limiter les rejets de NOx à des valeurs particulièrement faibles, notamment dans un procédé de fusion de verre. REVENDICATIONS 1. Brûleur équipé d'au moins un injecteur, apte à mettre en oeuvre un procédé de combustion, notamment pour la fusion de verre, caractérisé en ce que ledit injecteur comporte au moins trois conduits coaxiaux d'amenée de combustibles identiques ou différents. 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins deux desdits trois conduits sont annulaires. 3. Brûleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'un desdits trois conduits est cylindrique et axial. 4. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'un desdits conduits coaxiaux est destiné à t'amenée d'un combustible liquide sous la forme d'un jet creux, et en ce qu'il est circonscrit, à son voisinage immédiat, par un conduit annulaire coaxial d'amenée d'un fluide de pulvérisation dudit combustible liquide, présenté par l'injecteur. 5. Brûleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits trois conduits coaxiaux d'amenée de combustibles, dans l'ordre d'éloignement croissant à l'axe, sont respectivement dédiés à un liquide tel que fuel, un premier gaz tel que gaz naturel à pression relativement élevée, un second gaz identique au premier ou différent, à pression relativement basse. 6. Procédé de combustion, notamment utilisé pour la fusion de verre, dans lequel l'alimentation en combustible est assurée par au moins un brûleur équipé d'au moins un injecteur selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Application du brûleur selon l'une des revendications 1 à 5 ou du procédé selon la revendication 6 pour réduire l'émission des NOx, plus particulièrement dans un four de verrerie. 8. Application selon la revendication 7 à un four de fusion de verre destiné à la fabrication de produits creux ou à la production de verre plat, le four étant notamment destiné, dans ce dernier cas, à alimenter un float. 9. Four de verrerie mettant en oeuvre un brûleur selon l'une des revendications 1 à 5.