Brevet FR2865022A1 — publié le 20050715

L'invention concerne un brûleur radiant séparant les fonctions de chauffage et de combustion, à la manière des tubes radiants utilisés pour le recuit des aciers. Le principe d'un brûleur radiant consiste à chauffer un corps à haute température par la combustion d'un combustible gazeux (gaz naturel, GPL) ou liquide (fioul domestique, fioul lourd) avec un comburant pouvant être de l'air, de l'oxygène pur ou de l'air enrichi en oxygène, puis à transmettre la chaleur du corps aux éléments à chauffer (la charge) par rayonnement de ce corps. En pratique, le brûleur est constitué d'un espace alimenté par les gaz comburant et combustible et dans lequel a lieu la combustion; il peut par exemple s'agir d'un tube. Cet espace de combustion est en contact avec un milieu poreux assurant le transfert de la chaleur depuis l'espace de combustion vers la charge au travers de la surface émettrice de ce milieu poreux. Les gaz de combustion sont évacués de l'espace de combustion de manière à ne pas interagir avec la charge. L'énergie des gaz de combustion est en général récupérée et utilisée par le procédé lui-même (préchauffage du comburant ou du combustible) ou par d'autres procédés de l'utilisateur (production de vapeur d'eau, préchauffage de produits dans d'autres unités thermiques). Les brûleurs radiants ont trois insuffisances principales. Tout d'abord, la puissance de chauffe par unité de surface (puissance surfacique) des brûleurs radiants actuels est limitée par la température maximale d'utilisation de la surface émettrice. Cette température ne dépasse pas 1200 C pour les tubes en alliages métalliques ou 1350 C pour les tubes en céramiques. La limitation de la puissance surfacique des brûleurs radiants a pour conséquence de limiter les capacités de transfert d'énergie entre l'espace de combustion et la charge, c'est-à-dire la vitesse de chauffe, mais également de limiter l'utilisation de ces brûleurs à des procédés dont la température est inférieure à 1250 C. En pratique les puissances surfaciques utiles des brûleurs radiants sont inférieures à 10 Wlcm2, généralement de l'ordre de 2 à 5 W/cm2. Ensuite, et malgré l'utilisation de systèmes de récupération d'énergie, le rendement thermique de ces brûleurs lorsqu'ils fonctionnent à haute température est modéré et généralement compris entre 0,45 et 0,75. Enfin, à haute température, leurs émissions d'oxydes d'azote sont significatives, typiquement de l'ordre de la centaine de ppm. L'augmentation de la température de fonctionnement des brûleurs radiants est un moyen d'accroître la capacité de production d'un four donné (augmentation de la vitesse de chauffe), ou de réduire les coûts d'exploitation en substituant des éléments chauffant électriques par des brûleurs radiants. II serait donc utile de disposer de brûleurs radiants pouvant fonctionner au-delà de 1400 C pour la température de la surface émettrice, avec un rendement thermique supérieur à 0,75 et des émissions d'oxydes d'azote de l'ordre de la dizaine de ppm. Une solution de principe, pour augmenter la température de fonctionnement des brûleurs radiant, tout en réduisant la consommation de combustible et les émissions d'oxydes d'azote, consiste à utiliser l'oxygène pur comme comburant. Cependant cette solution se confronte aux capacités limitées de transfert de chaleur entre la flamme (ou les produits de combustion) et la surface émettrice, ce qui occasionne très vite des points chauds et en pratique des problèmes de tenue en température des matériaux. La difficulté principale du développement d'un brûleur radiant industriel à haute température (température de la surface émettrice au-delà de 1400 C) réside en fait dans la capacité des matériaux à résister aux températures élevées, dans une atmosphère pouvant être localement oxydante ou réductrice, et aux chocs ou contraintes thermiques. Un problème de la présente invention est donc, pour un matériau donné, de maximiser la puissance surfacique utile du brûleur radiant. Dans ce but, l'invention concerne un brûleur radiant pour la combustion d'un gaz oxygéné et d'un combustible, comportant: - un espace de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible, - des moyens d'injection du gaz oxygéné et du combustible dans l'espace de distribution et de combustion, l'un des moyens d'injection créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion, - un milieu poreux en céramique réfractaire au moins partiellement au contact de l'espace de distribution et de combustion, - une paroi émettrice étanche aux gaz en céramique réfractaire entourant le milieu poreux, et dans lequel le nombre de moyens d'injection autres que celui créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion est compris entre 0,64(L/(Se)112) '50 et 16,1(L/(Se)11z) '52de préférence entre 3,36(L/(Se)u2) '5 et 12,3(L/(Se)1rz) '52L représentant la longueur de l'espace de distribution et de combustion dans la direction de l'écoulement principal et Se représentant la surface de la paroi émettrice. Selon l'invention, le brûleur radiant comprend un espace de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible; cet espace correspond au lieu où se développe la flamme de la combustion. Cet espace est alimenté par le gaz oxygéné et le combustible par des moyens d'injection. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'un des moyens d'injection crée un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion. Par écoulement principal, on entend l'écoulement dirigé dans la direction dans laquelle se développe la flamme_ Ce moyen d'injection créant l'écoulement principal peut être constitué de plusieurs points d'injection qui sont tous localisés au même endroit sur l'axe de l'écoulement principal, généralement à l'entrée de l'espace de distribution et combustion. II peut s'agir du gaz oxygéné ou du combustible. L'espace de distribution et de combustion est en contact avec un milieu poreux. La fonction du milieu poreux est de transférer la chaleur de la combustion depuis l'espace de combustion vers la paroi émettrice entourant le milieu poreux, ladite paroi émettrice transférant ensuite la chaleur vers la charge à chauffer. La paroi émettrice peut être constituée d'une fine couche de matériau déposée sur la surface extérieure du milieu poreux. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, le nombre des moyens d'injection différents du moyen d'injection créant l'écoulement principal est compris entre 0,64(L/(Se)112)0,50 et 16,1(L/(Se)12)0,52 de préférence entre 3,36(L/(Se) 112)0,50 et 12,3(L/(Se)1'2)0,52 L représentant la longueur de l'espace de distribution et de combustion dans la direction de l'écoulement principal et Se représentant la surface de la paroi émettrice. _II s'agit de préférence du nombre des moyens d'injection du combustible. Ces moyens d'injection assurent la distribution continue ou discrète d'un réactif le long de l'espace de combustion. De préférence, ces moyens d'injection autres que celui créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion sont répartis de manière uniforme le long de l'écoulement principal. Cette distribution uniforme assure l'étagement de l'injection du fluide. Le nombre de moyens d'injection peut varier en fonction de la puissance d'utilisation du brûleur, afin de permettre de maintenir un niveau de température pour la paroi émettrice de façon indépendante de la puissance transférée à la charge. Selon une variante, il est possible d'injecter un prémélange du gaz oxygéné et du combustible au moyen de ces moyens d'injection différents du moyen d'injection créant l'écoulement principal. II est également avantageux que la section transverse de l'espace de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible Sc soit comprise entre (0,0102 et (0,34L)2, de préférence entre (0,06L)2 et (0, 20L)2. Par section transverse, on entend la section de l'espace de distribution et de combustion perpendiculaire au sens de l'écoulement principal. II est également préférable que le milieu poreux soit constitué de particules et que la dimension dp des particules soit choisi de manière à ce que: 0,005(L/(Se)112)-0,48(Sc)v2 Les matériaux composants le brûleur peuvent être par exemple la magnésie (MgO), la zircone (ZrO2), l'alumine (AI2O3), le carbure de silicium (SiC) ou encore le titanate d'alumine (AI2O3TiO2). Cependant on peut aussi utiliser d'autres matériaux, pour leurs propriétés réfractaires à très haute température, tels que les oxydes de terres rares. Selon l'invention, les propriétés thermophysiques de la céramique réfractaire utilisée pour le brûleur radiant peuvent être les suivantes: - la paroi émettrice peut présenter un coefficient de dilatation inférieur ou égal à 20.10-6 K-1, de préférence inférieur ou égal à 5.10-6 K-1, - la paroi émettrice peut présenter une conductibilité thermique supérieure ou égale à 1 W/m.K, de préférence supérieure ou égale à 10 W/m. K, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 100 W/m.K, - le milieu poreux peut présenter une conductibilité thermique supérieure ou égale à 1 W/m.K, de préférence supérieure ou égale à 10 W/m.K, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 100 W/m.K, - la température maximale d'utilisation de la céramique réfractaire du milieu poreux peut être supérieure d'au moins 200 C à la température de la paroi émettrice pour un fonctionnement dans les conditions nominales d'exploitation du brûleur, - la température de fusion de la céramique réfractaire du milieu poreux peut être supérieure d'au moins 400 C à la température de la paroi émettrice pour un fonctionnement dans les conditions nominales d'exploitation du brûleur, les moyens d'injection peuvent présenter une conductivité thermique inférieure ou égale à 10 WIm.K, - les moyens d'injection peuvent être en céramique réfractaire. - les moyens d'injection peuvent être à base de fibres, - la paroi émettrice peut être constituée d'un matériau réfractaire choisi parmi SiC, MOSiO2, AI2O3TiO2 et les matériaux fibreux à base de fibres d'alumine, le milieu poreux peut être constitué d'un matériau choisi parmi SiC, MOSiO2, MgO, - les moyens d'injection peuvent être constitués d'un matériau choisi parmi SiC, MOSiO2. - la paroi émettrice, le milieu poreux et les moyens d'injection peuvent être constitués d'un même matériau choisi parmi: SiC, MOSiO2, les matériaux fibreux à base de fibres d'alumine et AI2O3TiO2. L'invention concerne également un procédé de combustion d'un combustible à l'aide d'un gaz oxygéné comprenant au moins 21 % en volume d'oxygène à l'aide d'un brûleur radiant tel que précédemment décrit. L'utilisation d'un comburant riche en oxygène, de préférence pur, permet d'obtenir un bon rendement thermique. D'une manière générale, le comburant peut être de l'oxygène pur, de l'air enrichi en oxygène ou un mélange d'oxygène, d'eau et de dioxyde de carbone préchauffé. La figure 1 illustre un brûleur selon l'invention. L'espace de distribution et de combustion 1 est alimenté par: - des moyens d'injection 2 d'un premier réactif créant un écoulement principal, alimentant l'espace de combustion 1, par exemple en oxygène, - et des moyens d'injection 3 du deuxième réactif complémentaire à celui formant l'écoulement principal, par exemple du méthane. Les gaz de combustion 7 sont éliminés de l'espace de combustion. La chaleur dégagée par la combustion dans l'espace 1 est transmise au milieu poreux 4 puis à la paroi émettrice 5 de manière à chauffer à la charge 6. Selon la figure 1, il s'agit d'un brûleur radiant cylindrique 1 où l'écoulement principal et la flamme se développent dans l'espace de combustion 2 dans la direction de l'axe AA' du brûleur. La porosité du milieu poreux 3 est variable le long du brûleur. car celui-ci comporte un matériau poreux 4 en céramique réfractaire, et des moyens 6 pour injection les gaz (l'oxygène, par exemple) de façon étagée en trois points B, C, D. Le taux de combustion est contrôlé par la géométrie du brûleur, la distance entre les points d'injection d'oxygène, et la porosité variable du milieu poreux constituant la chambre de combustion. Les réactifs peuvent si nécessaire être partiellement pré-mélangés afin de mieux contrôler le taux de dégagement de chaleur en s'affranchissant en partie du mélange des réactifs. Dans ce cas, le prémélange est de préférence réalisé de manière à garantir une stoechiométrie en dehors des limites d'inflammabilité afin d'éviter la formation de suies ou des points froids lors de l'injection du combustible dans la chambre. Par mise en oeuvre d'un brûleur tel que précédemment décrit, une répartition séquentielle d'au moins un des réactifs (gaz oxygéné et/ou combustible) le long du brûleur radiant est obtenue, on assure ainsi une libération prolongée des produits de combustion à haute température et on contrôle conjointement le mélange des réactifs et la diffusion de la chaleur libérée par la combustion vers la paroi émettrice. Selon l'invention, le choix d'un milieu poreux en céramique réfractaire et le nombre de points d'injection d'au moins un des réactifs permettent de limiter la température maximale à l'intérieur du brûleur, ainsi que les gradients de température (homogénéisation des températures). Les températures dans le brûleur et sur la paroi émettrice, ainsi que le profil de température de la paroi émettrice, sont en outre homogénéisés. On minimise donc les extrema et les écarts de température sur la paroi émettrice et entre celle-ci et l'espace de combustion. Le brûleur selon l'invention permet une utilisation industrielle du brûleur à une température supérieure à 1400 C. L'invention s'applique notamment aux brûleurs radiants pour des fours de fusion du verre, ainsi que dans les domaines de la vitrification, des céramiques et des matériaux ferreux et non-ferreux. Un tel brûleur donne une grande souplesse pour le contrôle du procédé verrier. Par exemple, un verrier peut maîtriser l'atmosphère du four pour l'adapter à son verre en s'affranchissant des contraintes liées à l'interaction d'une atmosphère de combustion réductrice ou oxydante avec le bain de verre. Dans le cas de la seconde fusion du plomb et de l'aluminium où il est important de ne pas produire d'oxyde de plomb (toxique) ou d'alumine (défaut de qualité), le brûleur radiant selon l'invention permet également un meilleur contrôle du procédé en autorisant des atmosphères réductrices synthétiques maîtrisées (par exemple par des mélanges azote/hydrogène). Elle trouve aussi application dans le domaine du traitement thermique, par exemple sur les lignes de recuit, en sidérurgie, où le chauffage peut être réalisé à l'aide du brûleur selon l'invention. Elle s'applique enfin aux techniques de combustion pour le chauffage, la fusion, le traitement thermique, l'incinération de produits dans des procédés industriels qui nécessitent un contrôle de l'atmosphère du procédé à des fins d'augmentation de la qualité du produit élaboré, du rendement du procédé, de réduction des émissions de polluants, de récupération ou de recyclage de sous-produits du procédé. REVENDICATIONS 1. Brûleur radiant pour la combustion d'un gaz oxygéné et d'un combustible, comportant: - un espace (1) de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible, - des moyens d'injection (2, 3) du gaz oxygéné et du combustible dans l'espace de distribution et de combustion, l'un des moyens d'injection (2) créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion, - un milieu poreux (4) en céramique réfractaire au moins partiellement au contact de l'espace (1) de distribution et de combustion, - une paroi émettrice (5) étanche aux gaz en céramique réfractaire entourant le milieu poreux (4), caractérisé en ce que le nombre de moyens d'injection (3) autres que celui (2) créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion est compris entre 0,64(U(Se)1/2) 0,50 et 16,1(L/(Se)1/2) '52, L représentant la longueur de l'espace (1) de distribution et de combustion dans la direction de l'écoulement principal et Se représentant la surface de la paroi émettrice (5). 2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de points d'injection (3) autres que celui créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion est compris entre 3, 36(U(Se)'12) '50 et 12,3(L/(Se)112)0,52 3. Brûleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'injection (3) autres que celui (2) créant un écoulement principal dans l'espace (1) de distribution et de combustion sont répartis de manière uniforme le long de l'écoulement principal. 4. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section transverse de l'espace (1) de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible Sp est comprise entre (0,01 L) 2 et (0,34L)2. 5. Brûleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la section transverse de l'espace (1) de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible S, est comprise entre (0,06L)2 et (0,20L)2. 6. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu 35 poreux (4) est constitué de particules et en ce que la dimension dp des particules est choisie de manière à ce que: 0,005(L/(Se)112)-0,48(Sc)112 9. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi émettrice (5) présente une conductibilité thermique supérieure ou égale à 1 W/m.K, de préférence supérieure ou égale à 10 W/m. K, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 100 W/m.K. 10. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu poreux (4) présente une conductibilité thermique supérieure ou égale à 1 WIm.K, de préférence supérieure ou égale à 10 W/m.K, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 100 W/m.K. 11. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température maximale d'utilisation de la céramique réfractaire du milieu poreux (4) est supérieure d'au moins 200 C à la température de la paroi émettrice (5) pour un fonctionnement dans les conditions nominales d'exploitation du brûleur. 12. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de fusion de la céramique réfractaire du milieu poreux (4) est supérieure d'au moins 400 C à la température de la paroi émettrice (5) pour un fonctionnement dans les conditions nominales d'exploitation du brûleur. 13. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection (2, 3) présentent une conductivité thermique inférieure ou égale à 10 W/m.K, 14. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection (2, 3) sont en céramique réfractaire. 15. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi émettrice (5) est constituée d'un matériau réfractaire choisi parmi SiC, MOSiO2, AI2O3TiO2 et les matériaux fibreux à base de fibres d'alumine. 16. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu poreux (4) est constitué d'un matériau choisi parmi SiC, MOSiO2, MgO. 17. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection (2, 3) sont constitués d'un matériau choisi parmi SiC, MOSiO2. 18. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi émettrice (5) , le milieu poreux (4) et les moyens d'injection (2, 3) sont constitués d'un même matériau choisi parmi: SiC, MOSiO2, les matériaux fibreux à base de fibres d'alumine et AI2O3TiO2.