Brevet FR2863692A1 — publié le 20050617

La présente invention concerne un procédé de combustion étagée mettant en oeuvre un jet d'oxydant primaire et un jet d'oxydant secondaire, dans lequel l'injection de l'oxydant primaire a été optimisée. Les performances d'un procédé de combustion dans un four industriel doivent répondre à deux critères: - limiter les rejets de polluants atmosphériques (NOx, poussières, ...) qui doivent être en quantité inférieure à la limité fixée par la législation, - contrôler la température des parois du four et de la charge à chauffer de manière à répondre, à la fois aux contraintes relatives à la qualité du produit soumis à la combustion et à la consommation énergétique. Une solution avantageuse pour répondre à ces deux critères est d'abaisser la température de la flamme de combustion et un des moyens utilisés est la combustion étagée. Le procédé de combustion étagée des combustibles consiste à diviser la quantité d'oxydant nécessaire à la combustion totale du combustible en au moins deux flux d'oxydant introduits à différentes distances du flux de combustible. Ainsi, un premier flux d'oxydant est introduit à très proche distance du flux de combustible. Ce flux le plus proche du flux de combustible est dénommé le flux primaire; il permet la combustion partielle du combustible à une température contrôlée qui limite la formation des NOx. Les autres flux d'oxydant sont introduits à plus grande distance du combustible que le flux d'oxydant primaire; ils permettent d'achever la combustion du combustible n'ayant pas réagi avec l'oxydant primaire. Ces flux sont dénommés flux secondaires. Le document WO 02/081967 décrit un procédé permettant de mettre en oeuvre ce type de procédé de combustion étagée. L'oxydant est séparé en trois flux distincts, qui sont injectés à différentes distances du point d'injection du combustible et à différentes vitesses. Ainsi, un premier jet d'oxydant est injecté avec une vitesse élevée au centre du jet de combustible. Ensuite, un deuxième jet d'oxydant est injecté avec une vitesse plus faible à une première distance du jet de combustible. Enfin, un troisième jet d'oxydant est injecté à une deuxième distance du jet de combustible, cette deuxième distance étant supérieure à la première distance. II peut être utile de mettre en oeuvre ce type de procédé avec des puissances variables de brûleur, par exemple lorsque la charge du four change. Il peut être ainsi souhaitable d'utiliser des basses puissance de brûleur, c'est-à-dire d'utiliser les brûleurs avec de faibles vitesse de combustible par rapport au régime nominal des brûleurs. Or, l'utilisation des brûleurs avec de faibles vitesses de combustible par rapport au régime nominal peut conduire à une élévation de la flamme: dans le cas d'une injection des combustibles et comburants dans un plan horizontal, la flamme remonte vers la voûte du four industriel et peut l'abîmer. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de combustion étagée dans lequel il est possible de modifier la puissance du brûleur, et notamment de l'abaisser par apport à sa puissance nominale, sans que ce changement de puissance conduise à un changement de direction de flamme et à la détérioration de la paroi du four. Dans ce but, l'invention concerne donc un procédé de combustion d'un combustible, dans lequel on injecte un jet du combustible et au moins deux jets d'oxydant, le premier jet d'oxydant, dit primaire, étant injecté au contact du jet de combustible et de manière à engendrer une première combustion incomplète, les gaz issus de cette première combustion comportant encore au moins une partie du combustible, et le deuxième jet d'oxydant étant injecté à distance du jet de combustible de manière à entrer en combustion avec la partie du combustible présent dans les gaz issus de la première combustion, dans lequel le jet d'oxydant primaire est divisé en deux jets primaires: - un premier jet d'oxydant primaire, dit central, injecté au centre du jet de combustible, et - un second jet d'oxydant primaire, dit de gainage, injecté de manière coaxiale autour du jet de combustible. L'invention consiste donc en un procédé de combustion étagée dans lequel l'oxydant nécessaire à la combustion du combustible est divisé sous forme de deux jets. Le premier jet, dit primaire, est injecté au contact du jet de combustible, ce qui signifie que la distance entre le jet de combustible et le jet d'oxydant primaire est nulle (mis à part la présence éventuelle d'une paroi de canalisation conduisant ces différents jets). Selon la caractéristique essentielle de l'invention, le jet d'oxydant primaire est divisé en deux jets injectés de manière différente vis-à-vis du jet de combustible. Le premier jet d'oxydant primaire, dit central, est injecté au centre du jet de combustible, et le second jet d'oxydant primaire, dit de gainage, est injecté de manière coaxiale autour du jet de combustible. En pratique, ce procédé pourra être mis en oeuvre par l'utilisation d'une canne d'injection constituée de deux tubes concentriques, l'un pour l'injection du combustible, l'autre pour l'oxydant primaire central. La canne d'injection est placée dans un ouvreau céramique et l'oxydant primaire de gainage est injecté dans l'espace défini entre l'ouvreau et la canne d'injection. L'extrémité de la canne d'injection peut être placée en retrait de ou dans le même plan que la paroi d'injection dans le four. Selon l'invention, la quantité d'oxydant présente dans le jet d'oxydant primaire est inférieure à la quantité totale d'oxydant nécessaire à la combustion totale du combustible. Le deuxième jet d'oxydant permet d'apporter la quantité d'oxydant nécessaire à l'achèvement de la combustion du combustible. Généralement, la somme des quantités de tous les oxydants injectés est sensiblement stoechiométrique, c'est-à-dire comprise dans un intervalle de plus ou moins 15 % par rapport à la quantité stoechiométrique nécessaire à la combustion totale du combustible. La quantité de deuxième oxydant représente généralement 10 à 98 % de la quantité totale d'oxydant injecté, de préférence 50 à 98 %, encore plus préférentiellement 75 à 98 %, l'oxydant primaire (qui correspond à la fois à l'oxydant primaire central et à l'oxydant primaire de gainage) représentant une quantité comprise entre 2 et 90 %, de préférence entre 2 et 50 %, encore plus préférentiellement entre 2 à 25 % de la quantité totale d'oxydant. Selon l'invention, il est préférable que la vitesse d'injection du jet d'oxydant primaire central soit supérieure à la vitesse d'injection du jet de combustible. Par cette caractéristique, le jet d'oxydant central garantit à la fois un bon entraînement du jet de combustible et une vitesse suffisamment importante de ce jet de combustible. Ainsi, le combustible est parfaitement entraîné vers la zone de combustion avec le deuxième oxydant. La vitesse d'injection du jet d'oxydant primaire central est généralement d'au moins 50 m/s. La vitesse d'injection du jet de combustible est préférablement supérieure à la vitesse d'injection du jet d'oxydant primaire de gainage. Selon un mode avantageux, la vitesse d'injection du deuxième jet d'oxydant peut être supérieure à la vitesse d'injection du jet d'oxydant primaire de gainage. Selon l'invention, la distance à laquelle le deuxième jet d'oxydant est injecté et la vitesse de ce deuxième jet d'oxydant sont préférablement telles que le rapport de la distance définie entre le point d'injection du jet d'oxydant primaire central et le point d'injection du deuxième jet d'oxydant sur la vitesse d'injection du deuxième jet d'oxydant est compris entre 10"3s et 10-2s, de préférence entre 3.10-3s et 8,5.10-3s. Cette relation permet de résoudre le problème de l'invention tout en assurant une faible émission de NOx et une luminosité de flamme améliorée permettant le contrôle visuel de la combustion par l'opérateur. Selon un mode particulier du procédé de l'invention, un troisième jet d'oxydant peut être injecté en un point situé entre le point d'injection du jet d'oxydant primaire central et le point d'injection du deuxième jet oxydant. L'avantage de l'injection de ce troisième jet oxydant est qu'elle permet de jouer sur les débits entre les deuxième et troisième jets d'oxydant et de modifier le moment du brûleur et la longueur de la flamme de manière à contrôler le profil de transfert à la charge du four. De préférence, la vitesse d'injection du deuxième jet d'oxydant est supérieure ou égale à la vitesse d'injection du troisième jet d'oxydant. Il a été observé qu'il était préférable que le rapport de la distance définie entre le point d'injection du deuxième jet d'oxydant et le point d'injection du jet d'oxydant primaire central sur la distance définie entre le point d'injection du troisième jet d'oxydant et le point d'injection du jet d'oxydant primaire central soit compris entre 2 et 10. Dans le cas de ce mode particulier, la quantité d'oxydant présente dans le troisième jet représente de préférence 50 à 75 % de la quantité totale d'oxydant injecté par les deuxième et troisième jets, cette quantité totale d'oxydant injecté par les deuxième et troisième jets représentant 10 à 98 % de la quantité totale d'oxydant injecté, de préférence 50 à 98 %, encore plus préférentiellement 75 à 98 %. Selon l'invention, la distance à laquelle le troisième jet d'oxydant est injecté et la vitesse de ce troisième jet d'oxydant sont préférablement telles que le rapport de la distance définie entre le point d'injection du jet d'oxydant primaire central et le point d'injection du troisième jet d'oxydant sur la vitesse d'injection du troisième jet d'oxydant est compris entre 6.10- 4s et 6.10"3s, de préférence entre 1,5.10"3s et 4.10-3s. Selon une première variante du procédé selon l'invention, les deux jets d'oxydant primaires présentent la même concentration en oxygène. II est alors en outre avantageux d'utiliser un oxydant dans le deuxième jet, et éventuellement le troisième jet, présentant la même composition que le premier jet, car il est alors possible de n'avoir qu'une seule source d'oxydant à diviser entre les différents points d'injection d'oxydants. Toutefois, selon une deuxième variante du procédé selon l'invention, la concentration en oxygène du jet d'oxydant primaire central peut être supérieure à la concentration en oxygène du jet d'oxydant primaire de gainage et des deuxième et troisième jets. Ce peut-être le cas lorsque l'approvisionnement en oxygène de haute pureté est limité. L'oxydant de concentration élevée en oxygène est alors injecté sous forme du jet d'oxydant primaire central, tandis que de l'air est injecté dans tous les autres jets d'oxydant. Le jet de deuxième oxydant peut être lui-même constitué d'une pluralité de jets de deuxième oxydant. Pour une bonne symétrie de l'ensemble de combustion, les jets de deuxième oxydant sont, de préférence, disposés de façon régulière autour des jets de combustible et d'oxydant primaire. Cette disposition peut également être appliquée au jet de troisième oxydant. Le procédé est de préférence mis en oeuvre avec des combustibles gazeux. Si le combustible est liquide, il est alors souhaitable qu'un gaz d'atomisation soit utilisé pour atomiser le liquide; selon l'invention, le gaz d'atomisation peut être l'oxydant, notamment de l'air ou de l'oxygène. Le gaz d'atomisation peut être introduit à la place de l'oxydant de gainage et/ou à la place de l'oxydant central. Enfin, l'invention concerne l'utilisation du procédé précédente pour le chauffage d'une charge de verre ou pour un four de réchauffage. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention permet d'atteindre l'objectif de flamme tendue, c'est-à-dire de flamme ne déviant pas vers une paroi du four. La figure 1 illustre un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La figure 1 représente une partie du dispositif qui est conçu de façon symétrique par rapport à l'axe AA'. La figure 1 donne une vue de face du dispositif et la coupe correspondante selon l'axe BB'. Le dispositif est constitué d'ouvreaux 5, 6, 7 percés dans la paroi du four 8 et d'une canne d'injection 9 constituée de deux tubes coaxiaux. La canne d'injection est placée dans l'ouvreau 5. Cet ouvreau 5 est suffisamment large pour qu'un espace libre 10 existe entre le tube extérieur de la canne et la paroi de l'ouvreau. L'oxydant primaire 2, 3 est injecté à la fois dans le tube central de la canne 9 et dans l'espace libre 10. Le combustible 1 est injecté dans l'espace défini entre le tube intérieur et le tube extérieur de la canne d'injection 9. Le deuxième oxydant 4 est injecté dans l'ouvreau 7 le plus éloigné de l'ouvreau central 5. Le troisième oxydant 11 est injecté dans l'ouvreau 6 intermédiaire. REVENDICATIONS 1. Procédé de combustion d'un combustible, dans lequel on injecte un jet du combustible et au moins deux jets d'oxydant, le premier jet d'oxydant, dit primaire, étant injecté au contact du jet de combustible et de manière à engendrer une première combustion incomplète, les gaz issus de cette première combustion comportant encore au moins une partie du combustible, et le deuxième jet d'oxydant étant injecté à distance du jet de combustible de manière à entrer en combustion avec la partie du combustible présent dans les gaz issus de la première combustion, caractérisé en ce que le jet d'oxydant primaire est divisé en deux jets primaires: - un premier jet d'oxydant primaire, dit central, injecté au centre du jet de combustible, et - un second jet d'oxydant primaire, dit de gainage, injecté de manière coaxiale autour du jet de combustible. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse d'injection du jet d'oxydant primaire central est supérieure à la vitesse d'injection du jet de combustible. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la vitesse d'injection du jet de combustible est supérieure à la vitesse d'injection du jet d'oxydant primaire de 20 gainage. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse d'injection du deuxième jet d'oxydant est supérieure à la vitesse d'injection du jet d'oxydant primaire de gainage. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport de la distance définie entre le point d'injection du jet d'oxydant primaire central et le point d'injection du deuxième jet d'oxydant sur la vitesse d'injection du deuxième jet d'oxydant est compris entre 10-3s et 10-2s. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un troisième jet d'oxydant est injecté en un point situé entre le point d'injection du jet d'oxydant primaire central et le point d'injection du deuxième jet oxydant. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la vitesse d'injection du deuxième jet d'oxydant est supérieure à la vitesse d'injection du troisième jet d'oxydant. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que le rapport de la distance définie entre le point d'injection du deuxième jet d'oxydant et le point d'injection du jet d'oxydant primaire central sur la distance définie entre le point d'injection du troisième jet d'oxydant et le point d'injection du jet d'oxydant primaire central est compris entre 2 et 10. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux jets d'oxydant primaires présentent la même concentration en oxygène. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la concentration en oxygène du jet d'oxydant primaire central est supérieure à la concentration en oxygène du jet d'oxydant primaire de gainage. 11. Utilisation du procédé défini selon l'une des revendications 1 à 10 pour le chauffage 15 d'une charge de verre ou pour un four de réchauffage.