Brevet FR2863689A1 — publié le 20050617

La présente invention concerne un procédé de combustion étagée mettant en oeuvre un oxydant préchauffé. Dans les procédés de combustion actuels, il est courant de récupérer l'énergie dégagée par les fours de manière à réduire la consommation de combustible. La chaleur convectée par les gaz d'échappement du four peut être récupérée grâce à des récupérateurs ou régénérateurs. Cette récupération d'énergie est particulièrement courante pour les procédés de combustion dont l'oxydant est l'air. Pour les combustions dont l'oxydant est l'oxygène, il est également souhaitable de récupérer l'énergie. Toutefois, les techniques valables pour l'air ne sont pas directement applicables à l'oxygène. En effet, les fumées issues de la combustion à l'oxygène ont des teneurs en eau élevées et peuvent contenir une quantité importante de particules corrosives. Deux technologies permettent actuellement le préchauffage de l'oxygène: US-A-5,807,418 décrit un échange de chaleur direct entre les produits de la combustion et l'oxydant composé d'au moins 50 % d'oxygène, - selon US-A-6,071,116, un fluide intermédiaire et un premier échangeur de chaleur sont 20 utilisés pour récupérer l'énergie des gaz brûlés avant de restituer cette énergie à l'oxygène via un second échangeur de chaleur. Ces technologies peuvent posér certains problèmes techniques tels que les problèmes de maintenance et de durée de vie de l'échangeur, essentiellement dus à la corrosion, le manque de moyen de mesure et de contrôle pour l'oxygène chaud (pas de moyen de contrôle compatible avec de l'oxygène chaud) et les problèmes de sécurité liés à l'utilisation de cet oxygène chaud. Le problème posé par la présente invention est de proposer un nouveau procédé de combustion mettant en oeuvre de l'oxygène comme oxydant et permettant de récupérer l'énergie des gaz d'échappement. Un autre problème posé par la présente invention est de proposer un nouveau procédé de combustion mettant en oeuvre de l'oxygène comme oxydant et permettant de récupérer l'énergie des gaz d'échappement sans rencontrer les problèmes posés par le préchauffage de l'oxygène. Dans ces buts, l'invention concerne un procédé de combustion d'un combustible 35 dans lequel on injecte au moins un combustible et au moins deux oxydants: - le premier oxydant étant injecté à une distance I, du point d'injection du combustible d'au plus 20 cm, de préférence d'au plus 15 cm, - le deuxième oxydant étant injecté à une distance 12 du point d'injection du combustible supérieure à les oxydants étant injectés en quantités molaires telles que la somme de leurs quantités molaires soit au moins égale à la quantité molaire stoechiométrique d'oxydant nécessaire pour assurer la combustion du combustible injecté, dans lequel le premier oxydant est de l'air enrichi en oxygène présentant une température d'au plus 200 C et dans lequel le deuxième oxydant est de l'air préchauffé à une température d'au moins 300 C. Selon l'invention, le procédé de combustion est un procédé de combustion étagée. Ce type de combustion consiste à introduire l'oxydant nécessaire à la combustion de combustible sous forme d'au moins deux jets distincts injectés à différentes distances (l et 12) du point d'introduction du combustible dans le four. Le premier oxydant est injecté en quantité telle qu'il engendre une combustion incomplète du combustible et que les gaz issus de cette combustion entre le combustible et le premier oxydant comprennent encore au moins une partie du combustible. Le deuxième oxydant est injecté en quantité telle qu'il achève la combustion du combustible encore présent dans les gaz issus de la combustion entre le combustible et le premier oxydant. Selon l'invention, les oxydants sont injectés en quantités telles que la somme de leurs quantités soit au moins égale à la quantité stoechiométrique d'oxydant nécessaire pour assurer la combustion du combustible injecté. Par quantité stoechiométrique, on entend la quantité de molécules d'oxygène nécessaire pour obtenir la combustion complète du combustible injecté. Les différents oxydants doivent apporter au moins tout l'oxygène nécessaire à cette combustion totale du combustible. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le premier oxydant injecté à une distance Il est constitué d'air enrichi en oxygène présentant une température d'au plus 200 C. Par "air enrichi en oxygène", on entend de l'air enrichi par de l'oxygène de manière à ce que la concentration en oxygène contenue dans l'air enrichi soit d'au moins 30 %, et de préférence d'au moins 50 %. L'air enrichi en oxygène est de préférence obtenu par mélange d'air ambiant et d'une source d'oxygène cryogénique. L'oxydant injecté à la distance Il présente une température d'au plus 200 C, ce qui signifie que cet oxydant n'est pas préchauffé, notamment par les récupérateurs d'énergie du four dans lequel est mis en oeuvre la combustion. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, le deuxième oxydant injecté à la distance 12 est constitué d'air préchauffé à une température d'au moins 300 C. Le préchauffage peutêtre réalisé par toute technique de récupération de chaleur à partir des produits de combustion chauds du four. Ainsi, l'air préchauffé peut être chauffé par échange de chaleur avec une partie des produits de combustion chauds selon toute technique connue de l'art antérieur. Selon une variante du procédé de l'invention, au moins deux oxydants sont injectés à une distance Il d'au plus 15 cm, l'un, dit primaire, étant injecté en mélange avec le combustible ou à proximité du combustible, et l'autre, dit secondaire, étant injecté à distance du combustible. "En mélange" signifie que l'oxydant primaire et le combustible sont prémélangés avant d'être introduits dans la zone de combustion. Ce prémélange peut se faire par injection de l'oxydant primaire et du combustible dans une cavité, ladite cavité débouchant dans la zone de combustion. "A proximité" signifie que l'oxydant primaire est l'oxydant introduit au point le plus proche du point d'introduction du combustible parmi tous les oxydant injectés lors du procédé de combustion. L'oxydant secondaire est introduit à distance du combustible, c'est-à-dire à une distance Iisecondaire du point d'introduction du combustible supérieure à la distance Ilprimaire définie entre les points d'introduction de l'oxydant primaire et du combustible. L'oxydant primaire et l'oxydant secondaire peuvent présenter des concentrations en oxygène différentes; de préférence, l'oxydant primaire présente une concentration en oxygène plus élevée que l'oxydant secondaire. La quantité d'oxydant injectée par le jet d'oxydant primaire représente, de préférence, 2 à 50 % de la quantité stoechiométrique d'oxygène nécessaire pour assurer la combustion du combustible injecté. La quantité d'oxydant injectée par le jet d'oxydant secondaire et le jet d'oxydant injecté à la distance 12 peut représenter 50 à 98 % de la quantité stoechiométrique d'oxygène nécessaire pour assurer la combustion du combustible injecté. Dans cette variante, l'oxydant secondaire peut être divisé en une pluralité de jets d'oxydants secondaires, qui peuvent être injectés soit tous à la même distance Il secondaire du jet de combustible, soit à différentes distances Il secondaire du jet de combustible, ces distances restant inférieures à 20 cm, de préférence inférieure à 15 cm. Selon un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, l'oxydant injecté à la distance 12 peut être divisé en une pluralité de jets d'oxydants. Le procédé selon la présente invention peut être appliqué à tout type de four de combustion et notamment aux fours de réchauffage, aux fours de fusion de verre, aux fours de fusion des métaux ferreux ou non-ferreux. Par mise en oeuvre du procédé tel que précédemment décrit, il a été observé que, bien que le procédé mette en oeuvre de l'air apportant de l'azote, les émissions de NOx restaient faibles et compatibles avec les normes de rejet environnementales. Elles restent en tout cas inférieures aux teneurs obtenues pour le même brûleur mettant en oeuvre uniquement de l'oxygène préchauffé. Le procédé selon l'invention ne présente donc ni les inconvénients de l'oxygène préchauffé, ni ceux de la combustion à l'air. En outre, l'utilisation d'air enrichi limite l'usure des réfractaires. REVENDICATIONS 1. Procédé de combustion d'un combustible dans lequel on injecte au moins un combustible et au moins deux oxydants: - au moins un premier oxydant étant injecté à une distance I, du point d'injection du combustible d'au plus 20 cm, de préférence d'au plus 15 cm, - au moins un deuxième oxydant étant injecté à une distance 12 du point d'injection du combustible supérieure à les oxydants étant injectés en quantités telles que la somme de leurs quantités soit au moins égale à la quantité stoechiométrique d'oxydant nécessaire pour assurer la combustion du combustible injecté, caractérisé en ce que le premier oxydant est de l'air enrichi en oxygène présentant une température d'au plus 200 C et en ce que le deuxième oxydant est de l'air préchauffé à une température d'au moins 300 C. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air est enrichi par de l'oxygène de manière à ce que la concentration en oxygène contenue dans l'air enrichi soit d'au moins 30 %. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'air enrichi en oxygène est obtenu par mélange d'air ambiant et d'une source d'oxygène cryogénique. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'air préchauffé est chauffé par échange de chaleur avec une partie des produits de combustion chauds. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins deux premiers oxydants sont injectés à une distance Il d'au plus 20 cm, de préférence d'au plus 15 cm, l'un, dit primaire, étant injecté en mélange avec le combustible ou à proximité du combustible, et l'autre, dit secondaire, étant injecté à distance du combustible. 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la quantité d'oxydant injectée par le jet d'oxydant primaire représente 2 à 50 % de la quantité stoechiométrique d'oxygène nécessaire pour assurer la combustion du combustible injecté. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'oxydant secondaire est divisé en une pluralité de jets d'oxydants secondaires. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le 5 deuxième oxydant injecté à la distance 12 est divisé en une pluralité de jets d'oxydants.