Brevet FR2906867A1 — publié le 20080411

La présente invention concerne un procédé de préchauffage de plusieurs flux d'oxygène pouvant présenter des débits différents. Toute industrie utilisant un four générant des fumées chaudes cherche aujourd'hui à utiliser l'énergie thermique des fumées chaudes pour préchauffer des réactifs alimentant le four de manière à améliorer le rendement thermique du four. C'est le cas en particulier de l'industrie de verre, dans laquelle on cherche à préchauffer le combustible et le comburant, un gaz oxygéné, à l'aide des fumées issues de la combustion de ce combustible. On connaît essentiellement deux modes de chauffage des gaz réactifs, combustibles et comburants, à partir des fumées chaudes. On connaît tout d'abord des dispositifs comprenant un échangeur de chaleur assurant un chauffage dit direct des gaz réactifs par les fumées chaudes générées par le four (éventuellement à travers une paroi). Les documents EP 950 031 et US 5,807,418 décrivent de tels dispositifs. On connaît également des dispositifs assurant un tel préchauffage en deux étapes, grâce à deux échangeurs de chaleur distincts. Le premier échangeur de chaleur sert à chauffer un fluide intermédiaire, notamment de l'air, à partir des fumées chaudes et le deuxième échangeur de chaleur sert à chauffer le gaz réactif, en particulier l'oxygène, à partir du fluide intermédiaire précédemment chauffé par le premier échangeur de chaleur. Les documents US 6,071,116 et US 6,250,916 décrivent de tels dispositifs. Dans les deux techniques de préchauffage et en particulier pour le préchauffage d'oxygène, il est quasiment impossible de réguler ou de changer la distribution du débit d'oxygène en aval de l'échangeur. En effet, l'oxygène chaud est incompatible avec tous les dispositifs de régulation classiques car ceux-ci contiennent des parties non- métalliques et sont donc facilement inflammables. Or l'impossibilité d'agir sur le flux d'oxygène, en aval de l'échangeur, rend difficile la variation de la quantité de mouvement de la flamme du brûleur, notamment s'il s'agit d'un brûleur adaptée à la combustion étagée. Un tel dispositif est par exemple décrit dans la demande WO 2004/094902. Ce type de brûleur étagé présente, entre autres, l'avantage de pouvoir générer une flamme très adaptable aux contraintes du four dans lequel il est installé. La flexibilité de la flamme est assurée par un dispositif de variation de la distribution de l'oxygène tel que décrit dans la demande W02005/059415. Il permet notamment de changer la distribution d'oxygène de manière à ce que 25 %, 40 %, 50 %, 60 % ou 75 % de l'oxygène total soit dirigé vers l'injection secondaire ou tertiaire. L'utilisation d'un tel dispositif, qui contient des éléments d'étanchéité non-métalliques, n'est pas compatible avec l'oxygène chaud. 2906867 2 Le but de la présente invention est de proposer un procédé qui permette de distribuer des flux d'oxygène chaud présentant des débits différents. Dans ce but, l'invention concerne un procédé de chauffage d'au moins deux flux 5 d'oxygène froid dans lequel on chauffe chaque flux d'oxygène froid par échange de chaleur avec un fluide chaud, ledit échange de chaleur étant obtenu par circulation du flux d'oxygène froid dans les tubes d'un échangeur de chaleur, et lesdits tubes traversant une zone dans laquelle le fluide chaud est présent, et dans lequel les flux d'oxygène froid sont chauffés au moyen du même échangeur de chaleur comprenant au moins deux 10 faisceaux distincts de tubes, le premier flux d'oxygène froid circulant dans le premier faisceau de tubes et le second flux d'oxygène froid circulant dans le deuxième faisceau de tubes. Dans le texte, on entend par "oxygène", un gaz oxygéné présentant une concentration en oxygène supérieure à 70 %. 15 Le procédé met en oeuvre le principe de l'échange de chaleur entre l'oxygène froid à chauffer et un fluide chaud. Ce fluide chaud peut être composé des fumées issues d'une combustion mettant en oeuvre l'oxygène chaud ou d'air chaud, qui a été préalablement chauffé par lesdites fumées issues de la combustion mettant en oeuvre l'oxygène chaud. Selon l'invention, les tubes de l'échangeur de chaleur dans lesquels 20 circulent les flux d'oxygène froid se répartissent en deux faisceaux de tubes. Ces deux faisceaux sont distincts : il n'existe pas de communication entre eux. Ainsi, on peut alimenter ces faisceaux par des flux d'oxygène froid de débits différents de manière à obtenir des flux d'oxygène chaud de débits différents. Le nombre de tubes par faisceau est fixé en fonction des débits nominaux des flux d'oxygène froid à chauffer de manière à 25 obtenir deux flux d'oxygène chaud, de préférence de même température. En général, plus le débit d'un flux d'oxygène est grand, plus grand est le nombre de tubes correspondant au passage de flux d'oxygène. Par mise en oeuvre du procédé tel que précédemment décrit, il est possible de chauffer au moins deux flux d'oxygène de débits différents au moyen du même 30 échangeur de chaleur de manière à ce que les flux chauffés présentent la même température, chaque faisceau de tubes de l'échangeur de chaleur présentant le nombre de tubes adapté au chauffage des flux d'oxygène à leurs débits nominaux. 2906867 3 L'invention concerne également l'utilisation du procédé de chauffage précédent pour préchauffer les flux d'oxygène d'un brûleur à combustion étagée, notamment les flux d'oxygène secondaires. La combustion étagée consiste à diviser la quantité d'oxygène nécessaire à la 5 combustion totale d'un combustible en au moins deux flux complémentaires d'oxygène introduits à différentes distances du flux de combustible. Ainsi, un premier flux d'oxygène 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. L'autre flux d'oxygène complémentaire est introduit à plus 10 grande distance du combustible que le flux d'oxygène primaire ; il permet d'achever la combustion du combustible n'ayant pas réagi avec l'oxygène primaire. Ce flux est dénommé flux secondaire. Souvent, la combustion étagée met en oeuvre plusieurs flux d'oxygène secondaires injectés à plus ou moins proche distance du flux de combustible ; on parle parfois d'oxygène tertiaire pour l'oxygène secondaire injecté à la plus grande 15 distance de l'injection de combustible. Le procédé selon l'invention permet de chauffer ces différents flux d'oxygène : en fonction des débits nominaux de chaque flux d'oxygène, un nombre de tubes est fixé pour le passage du flux d'oxygène primaire et un autre nombre de tubes est fixé pour le passage du flux d'oxygène secondaire. Dans un autre mode d'utilisation, le procédé selon l'invention est utilisé pour préchauffer les différents 20 flux d'oxygène secondaires : en fonction des débits nominaux de chaque flux d'oxygène, un nombre de tubes est fixé pour le passage du premier flux d'oxygène secondaire et un autre nombre de tubes est fixé pour le passage du deuxième flux d'oxygène secondaire. Selon un mode préféré, les différents flux d'oxygène proviennent d'un système de division d'un flux d'oxygène principal en au moins deux flux d'oxygène complémentaires. 25 Ce système de division peut notamment être celui décrit dans W02005/059415 consistant en un système composé d'un caisson comprenant : - une première ouverture permettant la distribution depuis le caisson du premier flux d'oxygène, -une deuxième ouverture permettant la distribution depuis le caisson du deuxième flux 30 d'oxygène, - une troisième ouverture permettant l'alimentation du caisson par le flux principal d'oxygène que l'on souhaite diviser, - au moins une cloison interne séparant le volume interne du caisson en au moins deux sous-volumes et positionnée dans le caisson de manière à ce que la première et la 35 deuxième ouvertures débouchent dans des sous-volumes différents, ladite cloison interne étant percée d'un orifice de manière à mettre en communication le sous-volume 2906867 4 dans lequel débouche la troisième ouverture et le sous-volume dans lequel débouche la première ou la deuxième ouverture, ledit orifice étant de dimension ajustable, - un moyen de contrôle de la dimension de l'orifice percé dans la cloison interne. Selon une mise en oeuvre préférée, adaptée à la combustion étagée et au 5 chauffage des flux d'oxygène secondaires, le premier faisceau de l'échangeur de chaleur présente un nombre de tubes inférieur à celui du deuxième faisceau, et le flux d'oxygène secondaire circulant dans le premier faisceau de tubes est injecté à plus proche distance du flux de combustible injecté dans la combustion étagée que le flux d'oxygène secondaire circulant dans le deuxième faisceau de tubes. Cette mise en oeuvre 10 correspond donc à des débits nominaux de flux d'oxygène secondaires pour lesquels le flux d'oxygène secondaire injecté à plus proche distance de l'injection du flux de combustible présente un débit nominal inférieur à celui du flux d'oxygène secondaire injecté à plus grande distance de l'injection du flux de combustible. En conditions d'utilisation nominales, les nombres de tubes dans chaque faisceau sont fixés de manière 15 à ce que les deux flux d'oxygène secondaire soient injectés à la même température. Si le débit d'injection du flux d'oxygène secondaire injecté à plus grande distance de l'injection de combustible diminue au profit du débit du flux d'oxygène secondaire injecté à plus proche distance du flux de combustible, alors l'échangeur de chaleur abaisse la température du flux d'oxygène injecté à plus proche distance de l'injection de combustible 20 et augmente la température du flux d'oxygène injecté à plus grande distance de l'injection de combustible. Bien que n'étant pas optimale, cette distribution permet de réaliser une combustion étagée en toute sécurité, la température du flux d'oxygène injecté à proximité de l'injection du combustible restant faible. 25 REVENDICATIONS 1. Procédé de chauffage d'au moins deux flux d'oxygène froid dans lequel on chauffe chaque flux d'oxygène froid par échange de chaleur avec un fluide chaud, ledit échange de chaleur étant obtenu par circulation du flux d'oxygène froid dans les tubes d'un échangeur de chaleur, et lesdits tubes traversant une zone dans laquelle le fluide chaud est présent, caractérisé en ce que les flux d'oxygène froid sont chauffés au moyen du même échangeur de chaleur comprenant au moins deux faisceaux distincts de tubes, le premier flux d'oxygène froid circulant dans le premier faisceau de tubes et le second flux d'oxygène froid circulant dans le deuxième faisceau de tubes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de tubes par faisceau est fixé en fonction du débit nominal des flux d'oxygène froid. 3. Utilisation du procédé selon la revendication 1 ou 2 pour préchauffer les flux d'oxygène d'un brûleur à combustion étagée. 4. Utilisation selon la revendication 3 pour préchauffer les flux d'oxygène primaire et secondaire. 5. Utilisation selon la revendication 3 pour préchauffer les flux d'oxygène secondaires. 6. Utilisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que les flux d'oxygène secondaires proviennent d'un système de division d'un flux d'oxygène principal en au 25 moins deux flux d'oxygène complémentaires. 7. Utilisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier faisceau de l'échangeur de chaleur présente un nombre de tubes inférieur à celui du deuxième faisceau, et en ce que le flux d'oxygène secondaire circulant dans le premier faisceau de 30 tubes est injecté à plus proche distance du flux de combustible injecté dans la combustion étagée que le flux d'oxygène secondaire circulant dans le deuxième faisceau de tubes. 35