Brevet FR2863690A1 — publié le 20050617

La présente invention concerne un procédé de combustion étagée mettant en oeuvre un gaz oxygéné riche en oxygène et un gaz oxygéné pauvre en oxygène utilisable lors des phases de rupture d'approvisionnement en oxygène produit par une unité de production d'oxygène. Les procédés de combustion mettant en oeuvre des gaz oxygénés utilisent généralement de l'oxygène provenant d'unités de production continue d'oxygène telles qu'une unité cryogénique ou une unité d'adsorption modulée sous vide (VSA "Vacuum Swing Adsorption" en anglais). Pour anticiper les risques de rupture de l'alimentation en oxygène provenant de ces unités, il est généralement prévu un réservoir d'oxygène liquide à proximité du lieu de mise en oeuvre de la combustion. Pour réduire les coûts de stockage de ce réservoir et éviter un stockage trop important d'oxygène qui pourrait classer le lieu de combustion comme un site à risque d'accident élevé, on préfère généralement réduire la capacité de ce stockage. Toutefois cette réduction de la capacité de stockage ne permet pas toujours d'alimenter la combustion suffisamment longtemps pendant la rupture d'approvisionnement. Une solution serait de pouvoir alimenter la combustion avec de l'air, mais généralement, les brûleurs mettant en oeuvre un gaz plus riche en oxygène que l'air n'autorisent pas l'utilisation d'un débit d'air important. Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé de combustion et un brûleur associé fonctionnant habituellement avec un gaz plus riche en oxygène que l'air permettant un fonctionnement en air en cas de rupture de l'approvisionnement continu en oxygène. Dans ce but, l'invention concerne un procédé de combustion d'un combustible à l'aide d'un gaz oxygéné, dans lequel on injecte un jet du combustible et au moins deux jets de gaz oxygéné riche en oxygène, le premier jet de gaz oxygéné riche en oxygène, 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 de gaz oxygéné riche en oxygène étant injecté à une distance Il du jet de combustible de manière à entrer en combustion avec une première partie du combustible présent dans les gaz issus de la première combustion, procédé dans lequel on injecte un gaz oxygéné pauvre en oxygène à une distance 12 du jet de combustible de manière à entrer en combustion avec une deuxième partie du combustible présent dans les gaz issus de la première combustion et en ce que 12 est supérieure à 1,. L'invention concerne également un ensemble brûleur à injection séparée constitué d'au moins deux blocs et comportant un orifice pour l'injection de gaz combustible et au 5 moins quatre orifices pour l'injection de gaz oxygéné, dans lequel: - le premier bloc comporte un orifice pour l'injection de combustible et au moins deux orifices pour l'injection de gaz oxygéné, le premier orifice d'injection de gaz oxygéné étant disposé au contact de l'orifice d'injection de combustible, le deuxième orifice d'injection de gaz oxygéné étant disposé à une distance I, de l'orifice pour l'injection de combustible, - le deuxième bloc comporte au moins un troisième et un quatrième orifices pour l'injection de gaz oxygéné chacun disposés à une distance 12 de l'orifice pour l'injection de combustible du premier bloc, 12 étant supérieure à I,, le quatrième orifice pour l'injection de gaz oxygéné présentant une surface comprise entre 4 et 100 fois la surface du troisième orifice. Enfin, l'invention concerne l'utilisation du procédé précédent lors de la rupture de la production continue d'oxygène. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. A titre d'exemple non limitatif, l'invention est illustrée par la figure 1 qui est une vue schématique d'un ensemble brûleur selon l'invention. L'invention concerne donc tout d'abord un procédé de combustion d'un combustible à l'aide d'un gaz oxygéné, dans lequel on injecte un jet du combustible et au moins deux jets de gaz oxygéné riche en oxygène, le premier jet de gaz oxygéné riche en oxygène, 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 de gaz oxygéné riche en oxygène étant injecté à une distance I, du jet de combustible de manière à entrer en combustion avec une première partie du combustible présent dans les gaz issus de la première combustion, procédé dans lequel on injecte un gaz oxygéné pauvre en oxygène à une distance 12 du jet de combustible de manière à entrer en combustion avec une deuxième partie du combustible présent dans les gaz issus de la première combustion et en ce que 12 est supérieure à l,. L'invention consiste donc en un procédé de combustion étagée dans lequel le gaz oxygéné nécessaire à la combustion du combustible est divisé sous forme d'au moins trois jets. Un procédé de combustion étagée consiste à diviser la quantité de gaz oxygéné nécessaire à la combustion totale du combustible en au moins deux flux complémentaires de gaz oxygéné introduits à différentes distances du flux de combustible. Ainsi, un premier flux de gaz oxygéné complémentaire 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 NON. Au moins un autre flux de gaz oxygéné complémentaire est introduit à plus grande distance du combustible que le flux de gaz oxygéné primaire; il permet d'achever la combustion du combustible n'ayant pas réagi avec le gaz oxygéné primaire. Ce flux est dénommé secondaire. Selon la présente invention, 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 séparant ces deux jets). Ce jet primaire est un jet de gaz oxygéné riche en oxygène. Selon l'invention, un gaz oxygéné riche en oxygène présente une concentration en oxygène supérieure à 30 % en volume, de préférence d'au moins 90 % en volume. Généralement, le gaz oxygéné riche en oxygène provient en partie d'une unité de stockage d'oxygène liquide. L'oxygène liquide peut être dilué avec de l'air de manière à ce que le gaz oxygéné injecté présente une concentration en oxygène supérieure à 30 % en volume, de préférence d'au moins 90 % en volume. Les deuxième et troisième jets d'oxydant sont injectés à distance du jet de combustible et du jet primaire; ils permettent d'apporter la quantité d'oxydant nécessaire à l'achèvement de la combustion du combustible initiée par le jet primaire. Selon l'invention, le gaz oxygéné du deuxième jet est riche en oxygène et ce deuxième jet est injecté à une distance I,. De préférence, la distance I, est comprise entre 5 et 20 cm. Toujours selon l'invention, le troisième jet est pauvre en oxygène et est injecté à une distance 12 supérieure à!, et concerne un gaz oxygéné pauvre en oxygène. Par "pauvre en oxygène", on entend un gaz oxygéné présentant une concentration en oxygène d'au plus 30 % en volume. De préférence, il s'agit d'air. La distance 12 est avantageusement supérieure à 30 cm. Généralement, la somme des quantités d'oxygène injecté par tous les jets de gaz oxygénés 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 injecté. De préférence, la quantité d'oxygène injecté par les jets de gaz oxygéné riche en oxygène représente 10 à 50 %, encore plus préférentiellement 25 à 50 % de la quantité totale d'oxygène injecté. Selon un mode particulier, le gaz oxygéné pauvre en oxygène peut être préchauffé avant d'être injecté. L'invention concerne également un ensemble brûleur à injection séparée constitué d'au moins deux blocs et comportant un orifice pour l'injection de gaz combustible et au moins quatre orifices pour l'injection de gaz oxygéné, dans lequel: - le premier bloc comporte un orifice pour l'injection de combustible et au moins deux orifices pour l'injection de gaz oxygéné, le premier orifice d'injection de gaz oxygéné étant disposé au contact de l'orifice d'injection de combustible, le deuxième orifice d'injection de gaz oxygéné étant disposé à une distance Il de l'orifice pour l'injection de combustible, - le deuxième bloc comporte au moins un troisième et un quatrième orifices pour l'injection de gaz oxygéné chacun disposés à une distance 12 de l'orifice pour l'injection de combustible du premier bloc, 12 étant supérieure à le quatrième orifice pour l'injection de gaz oxygéné présentant une surface comprise entre 4 et 100 fois la surface du troisième orifice. Par bloc, on entend un bloc réfractaire inséré dans la paroi du four. Par orifice, on entend un tube assurant la délivrance d'un jet de gaz. Lors de la mise en oeuvre d'un procédé de combustion étagée avec cet ensemble brûleur et une source d'oxygène non limitée en volume, le premier orifice permet l'injection du jet de gaz oxygéné primaire riche en oxygène, les deuxième et troisième orifices permettent l'injection de gaz oxygénés riches en oxygène et aucun gaz n'est injecté dans le quatrième orifice. Ce procédé correspond à un procédé de combustion étagée mettant en oeuvre un gaz oxygéné riche en oxygène avec un jet primaire et deux jets secondaires. Lors d'une rupture de la production continue en oxygène, cet ensemble brûleur permet la mise en oeuvre du procédé selon l'invention précédemment décrit: le premier et le deuxième orifices permettent l'injection de jets de gaz oxygéné riche en oxygène, aucun gaz n'est injecté dans le troisième orifice et un gaz oxygéné pauvre en oxygène est injecté dans le quatrième orifice. De préférence, l'ensemble brûleur est conçu de manière à ce que la distance Il soit comprise entre 5 et 20 cm. En outre, les distances 12 sont avantageusement supérieures à 30 cm. Le premier orifice d'injection de gaz oxygéné est avantageusement disposé centralement dans l'orifice d'injection de combustible. Selon un mode particulier, l'ensemble brûleur peut comprendre un troisième bloc comportant un cinquième orifice pour l'injection de gaz oxygéné disposé à une distance 12 de l'orifice d'injection du combustible et présentant une surface comprise entre 4 et 100 fois la surface du troisième orifice d'injection. Selon ce mode, l'ensemble comprend donc deux orifices de grande surface chacun à une distance 12 de l'injection de combustible. Selon ce dernier mode, l'ensemble peut avantageusement comprendre deux premiers blocs, deux deuxièmes blocs et un troisième bloc. Dans ce dernier cas, les distances I, et 12 respectives à chaque orifice dans la première paire de premier et deuxième blocs sont de préférence les mêmes que les distances I1 et 12 respectives à chaque orifice de type identique dans la deuxième paire de premier et deuxième blocs. Il en est de même pour les surfaces des orifices de la première paire de premier et deuxième blocs et les surfaces des orifices de même type de la deuxième paire de premier et deuxième blocs. Ainsi, par exemple, les deuxième et troisième orifices d'injection de gaz oxygéné des deux deuxième blocs présentent les mêmes valeurs de distance I, et 12 et de surface. Selon une mise en oeuvre préférée de ce mode, le cinquième orifice commun présente une surface supérieure à celle des quatrièmes orifices. Enfin, l'invention concerne l'utilisation du procédé précédemment décrit pour le chauffage d'une charge de verre ou pour un four de réchauffage. L'invention concerne l'utilisation du procédé précédemment décrit lors de la rupture de la production continue d'oxygène. La figure 1 illustre la mise en oeuvre du procédé selon l'invention à l'aide d'ensemble 15 brûleur comprenant cinq blocs. Les blocs 1, 2, 14, 15, 16 sont intégrés dans la paroi du four 17 et représentés de face. Les blocs 1 et 2 comprennent chacun: - un orifice 3, 4 pour l'injection du combustible, - un premier orifice 5, 6 pour l'injection d'un gaz oxygéné riche en oxygène disposé 20 centralement au centre de l'orifice respectivement 3 et 4, - un deuxième orifice 7, 8 pour l'injection d'un gaz oxygéné riche en oxygène situé respectivement à une distance 111 de l'orifice 3 et à une distance 112 de l'orifice 4, avec 111 = Les blocs 14 et 15 comprennent chacun: - un troisième orifice 9, 10 pour l'injection d'un gaz oxygéné riche en oxygène situé respectivement à une distance 121 de l'orifice 3 et à une distance 122 de l'orifice 4, avec 121 = - un quatrième orifice 11, 12 pour l'injection d'un gaz oxygéné pauvre en oxygène situé respectivement à une distance 125 de l'orifice 3 et à une distance 126 de l'orifice 4, avec 125 = 126. La surface du quatrième orifice 11, 12 est comprise entre 4 et 100 fois la surface du troisième orifice 9, 10 correspondant. Le bloc 16 est placé entre les blocs 1 et 2 et comprend un cinquième orifice 13 pour l'injection d'un gaz oxygéné pauvre en oxygène situé respectivement à une distance 123 de l'orifice 3 et à une distance 124 de l'orifice 4, avec 123 = 124. La surface du cinquième orifice 13 est comprise entre 4 et 100 fois la surface du troisième orifice 9 ou 10. Lors de la mise en oeuvre d'un procédé de combustion étagée avec cet ensemble brûleur et une source d'oxygène, le combustible est injecté par les orifices 5 et 6 et le gaz oxygéné riche en oxygène par les orifices 5, 6, 7, 8, 9 et 10. Aucun gaz n'est injecté par les orifices 11, 12 et 13. Ce procédé correspond à un procédé de combustion étagée mettant en oeuvre un gaz oxygéné riche en oxygène avec un jet primaire et deux jets secondaires. Lors d'une rupture en production d'oxygène et l'utilisation d'oxygène en quantité limitée, cet ensemble brûleur permet la mise en oeuvre du procédé selon l'invention précédemment décrit: le combustible est toujours injecté par les orifices 3 et 4 et le gaz oxygéné riche en oxygène est toujours injecté par les orifices 5, 6, 7 et 8. Par contre, aucun gaz oxygéné n'est injecté par les orifices 9 et 10 et un gaz oxygéné pauvre en oxygène est injecté par les orifices 11, 12 et 13. Par mise en oeuvre du procédé tel que précédemment décrit, il est possible d'approvisionner avec de l'air un brûleur fonctionnant habituellement avec un gaz plus riche en oxygène que l'air en cas de rupture de l'approvisionnement continu en oxygène. En outre, en cas de rupture d'approvisionnement en oxygène et d'épuisement de l'oxygène stocké, il est possible d'utiliser le brûleur selon l'invention avec uniquement de l'air à la place de tous les gaz oxygénés. Le procédé de combustion reste performant. REVENDICATIONS 1. Procédé de combustion d'un combustible à l'aide d'un gaz oxygéné, dans lequel on injecte un jet du combustible et au moins deux jets de gaz oxygéné riche en oxygène, le premier jet de gaz oxygéné riche en oxygène, 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 de gaz oxygéné riche en oxygène étant injecté à une distance Il du jet de combustible de manière à entrer en combustion avec une première partie du combustible présent dans les gaz issus de la première combustion, caractérisé en ce qu'on injecte un gaz oxygéné pauvre en oxygène à une distance 12 du jet de combustible de manière à entrer en combustion avec une deuxième partie du combustible présent dans les gaz issus de la première combustion et en ce que 12 est supérieure à I,. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz oxygéné riche en oxygène présente une concentration en oxygène supérieure à 30 % en volume. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz oxygéné pauvre en oxygène présente une concentration en oxygène d'au plus 30 % en volume. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance Il est comprise entre 5 et 20 cm. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance 12 est supérieure à 30 cm. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité d'oxygène injecté par les jets de gaz oxygéné riche en oxygène représente 10 à 50 % de la quantité totale d'oxygène injecté. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de la section de l'orifice d'injection du gaz oxygéné pauvre en oxygène est comprise entre 4 et 100 la surface de la section d'injection du gaz oxygéné riche en oxygène injecté à la distance 12. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz oxygéné pauvre en oxygène est préchauffé avant d'être injecté. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz oxygéné riche en oxygène provient au moins en partie d'une unité de stockage d'oxygène liquide. 10. Ensemble brûleur à injection séparée constitué d'au moins deux blocs (1, 2, 14, 15, 16) et comportant un orifice pour l'injection de gaz combustible (3, 4) et au moins quatre orifices pour l'injection de gaz oxygéné (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13), dans lequel: - le premier bloc (1, 2) comporte un orifice pour l'injection de combustible (3, 4) et au moins deux orifices pour l'injection de gaz oxygéné (5, 6, 7, 8), le premier orifice d'injection de gaz oxygéné (5, 6) étant disposé au contact de l'orifice d'injection de combustible (3, 4), le deuxième orifice d'injection de gaz oxygéné (7, 8) étant disposé à une distance Il de l'orifice pour l'injection de combustible (3, 4), - le deuxième bloc (14, 15) comporte au moins un troisième et un quatrième orifices pour l'injection de gaz oxygéné (9, 10, 11, 12) chacun disposés à une distance 12 de l'orifice pour l'injection de combustible (3, 4) du premier bloc, 12 étant supérieure à le quatrième orifice (11, 12)pour l'injection de gaz oxygéné présentant une surface comprise entre 4 et 100 fois la surface du troisième orifice (9, 10). 11. Ensemble brûleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier orifice (5, 6) d'injection de gaz oxygéné est disposé centralement dans l'orifice d'injection de combustible (3, 4). 12. Ensemble brûleur selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième bloc (16) comportant un cinquième orifice (13) pour l'injection de gaz oxygéné disposé à une distance 12 de l'orifice d'injection (3, 4) du combustible et présentant une surface comprise entre 4 et 100 fois la surface du troisième orifice (9, 10) d'injection. 13. Ensemble brûleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend deux premiers blocs (1, 2), deux deuxièmes blocs (14, 15) et un troisième bloc (16). 14. Utilisation du procédé défini selon l'une des revendications 1 à 8 pour le chauffage d'une charge de verre ou pour un four de réchauffage. 15. Utilisation du procédé défini selon l'une des revendications 1 à 8 lors de la rupture de 5 la production continue d'oxygène.