Brevet FR2910594A1 — publié le 20080627

La présente invention concerne un procédé de fusion d'une charge au moyen de brûleurs de combustion brûlant du combustible liquide et du combustible gazeux. Sur un four industriel, le choix de la nature du combustible utilisé, par exemple entre combustible liquide et gaz naturel, dépend de plusieurs paramètres. Le premier paramètre est le coût opératoire du combustible utilisé. Un autre paramètre est le transfert énergétique vers la charge, la flamme du gaz naturel étant connue comme étant moins émissive qu'une flamme de combustible liquide. Un autre paramètre est la concentration en vapeur d'eau crée par la combustion au-dessus de la charge qui peut avoir une influence sur la qualité du produit. Enfin, il faut tenir compte des émissions polluantes telles que les NOX ou les SOX qui sont généralement plus importantes pour le combustible liquide que pour le gaz naturel. Un fonctionnement mixte utilisant les deux types de combustible permettrait de bénéficier au maximum des avantages de chaque type de combustible et d'en limiter les inconvénients. De nombreuses études se sont ainsi récemment intéressées à différentes méthodes pour augmenter l'émissivité d'une flamme gaz naturel. Par exemple, Faber A.J et Van Kersbergen M. dans Glass Technology Vol. 46 N 2 April 2005 ont montré qu'une flamme gaz naturel pouvait voir son émissivité augmenter dans le domaine du visible et du proche infra-rouge, soit par ajout d'une petite quantité de diesel soit par injection de gaz propices à la formation de suies tels que le propène ou l'acétylène. Cependant, la quantité de diesel injectée reste inférieure à 20 % du débit total de combustible. Une méthode pour augmenter la proportion de combustible liquide par rapport à celle du gaz naturel est de développer des injecteurs utilisant le gaz naturel comme gaz d'atomisation. Messias L.S., Dos Santos M.M. et Schettini H.F.D. dans Proceedings of Clean Air 2005, April 2005 proposent par exemple un atomiseur injectant 50 % de combustible liquide et 50 % de gaz naturel et montrent - pour une flamme aéro - une réduction importante des émissions polluantes telles que les oxydes d'azote et de soufre grâce à l'utilisation d'un tel système. Ce type d'atomiseur à bi-combustible existe également pour les brûleurs utilisant l'oxygène comme combustible : Leroux B., Lacas F., Recourt P. et Delabroy O. Proceedings of AFRC û JFRC International Symposium, Hawaï, September 2001 décrivent des injecteurs à pulvérisation externe pouvant utiliser du gaz naturel comme gaz d'atomisation. Cependant, pour ces types d'injecteurs dédiés à l'oxycombustion, la gamme des débits possibles de gaz naturel reste étroite : le débit massique de gaz naturel est généralement compris entre 15 % et 30 % du débit massique du combustible liquide. En-dessous de 15 %, la qualité d'atomisation devient trop médiocre et la combustion est incomplète. Inversement, au-delà 2910594 2 de 30 %, la flamme peut devenir instable à cause de vitesses trop importantes de gaz d'atomisation. Un but de la présente invention est de trouver une solution à ce manque de flexibilité des systèmes oxycombustible mixtes actuels 5 Dans ce but, l'invention concerne un procédé de fusion d'une charge au moyen de brûleurs de combustion oxy-combustible dans un four comprenant au moins une évacuation de fumée amont, dans lequel, dans la zone de fusion de la charge : - les brûleurs placés près de l'évacuation de fumées amont brûlent un combustible liquide, 10 - au moins un des brûleurs placé loin de l'évacuation de fumées amont brûle un combustible gazeux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Des formes et des modes de réalisation de l'invention sont donnés 15 à titre d'exemples non limitatifs, illustrés par les dessins joints dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un four dans lequel on met en oeuvre le procédé selon l'invention, - la figure 2 est une variante de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 3 est une autre variante de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. 20 Le procédé selon l'invention met en oeuvre le chauffage d'une charge au moyen de brûleurs de combustion oxy-combustible, c'est-à-dire de brûleurs utilisant un comburant composé d'un gaz riche en oxygène. Par gaz riche en oxygène, on entend un gaz présentant une teneur en oxygène supérieure à 70 %. Le procédé est mis en oeuvre dans un four 25 comprenant au moins une évacuation des fumées de combustion dans la partie amont du four. Dans ce texte, on entend par amont, la partie du four dans laquelle la charge à chauffer est introduite, et par aval, la partie du four dans laquelle la charge chauffée est évacuée. L'évacuation de fumée peut se situer au bout du four ou sur un de se côtés latéraux. En général, l'évacuation de fumée amont se situe dans le premier quart de la longueur du four. 30 Le four peut comprendre une ou plusieurs évacuation(s) de fumée amont. Dans le cas de plusieurs évacuations de fumée, celles-ci peuvent être placées à la même hauteur dans la longueur du four ou en quinconce. Le principe de disposition des brûleurs selon l'invention s'applique par rapport à toutes les évacuations amont. Le procédé de l'invention concerne le placement des brûleurs oxy-combustible dans le four en fonction de la nature du combustible 35 qu'ils brûlent. Ainsi, dans la zone de fusion du four : 2910594 3 - les brûleurs placés près de l'évacuation de fumées amont brûlent un combustible liquide. Par "près", on entend que ces brûleurs sont placés à moins de 8 m, de préférence à moins de 4 m, de l'évacuation de fumées amont. - au moins un des brûleurs placés loin de l'évacuation de fumées amont brûle un 5 combustible gazeux. Par "loin", on entend que ces brûleurs sont placés à plus de 4 m, de préférence plus de 8 m, de l'évacuation de fumées amont. Le four est divisé en trois zones : - la zone de fusion du four qui se définit comme la zone située en amont de la ligne démarquant la matière solide de la matière fondue. En général, pour la fusion du verre, cette 10 zone de fusion s'étend sur la zone amont représentant le tiers à la moitié du four. - la zone de chauffage qui se définit comme la zone située directement en aval de la zone de fusion, et qui est couverte par les flammes de brûleurs. - la zone d'affinage qui se définit comme la zone située en aval de la zone de chauffage, et qui ne subit aucun chauffage. 15 Selon une variante du procédé, dans la zone de chauffage, les brûleurs placés le plus près de la zone d'affinage peuvent brûler un combustible liquide. Cette variante permet de réduire les niveaux de concentration en vapeur d'eau à proximité de la zone d'affinage. En outre, dans le cas où le four comprend au moins une évacuation de fumées aval : - les brûleurs placés près de l'évacuation de fumées aval brûlent un combustible liquide, 20 - au moins un des brûleurs placés loin des évacuations de fumées aval brûlent un combustible gazeux. De préférence, l'évacuation de fumée aval se situe dans le dernier tiers de la longueur du four. Le procédé selon l'invention s'applique préférentiellement aux fours où la charge est du 25 verre ou des émaux. En général, ce type de four présente une longueur d'au moins 20 m, de préférence d'au moins 30 m. Les figures 1, 2 et 3 illustrent le dispositif et le procédé selon l'invention. Dans la figure 1, le four 1 est équipé : - de chargeurs 2 de charge à fondre, 30 - de deux évacuations de fumée amont 3, - et de huit brûleurs oxy-combustible 41, 42, 43, 44, 51, 52, 53, 54 placés soit face à face, soit en quinconce. Conformément à l'invention, les brûleurs 41, 42, 43, 44 placés près de l'évacuation de fumées amont 3 brûlent un combustible liquide, tandis que les brûleurs 51, 52, 53, 54 placés 35 loin de l'évacuation de fumées amont 3 brûlent un combustible gazeux. 2910594 4 Dans la figure 2, le four 1 est équipé : - de chargeurs 2 de charge à fondre, - de deux évacuations de fumée amont 3, - et de neuf brûleurs oxy-combustible 41, 42, 43, 44, 45, 46, 51, 52, 53, placés soit face 5 à face, soit en quinconce. Conformément à l'invention, les brûleurs 41, 42, 43, 44 placés près de l'évacuation de fumées amont 3 brûlent un combustible liquide, tandis que les brûleurs 51, 52, 53, placés loin de l'évacuation de fumées amont 3 brûlent un combustible gazeux. En outre, les brûleurs 45 et 46 situés à proximité de la zone d'affinage 8 brûlent un combustible liquide. 10 Dans la figure 3, le four 1 est équipé : - de chargeurs 2 de charge à fondre, - de deux évacuations de fumée amont 3, -de deux évacuations de fumée aval 7, - et de neuf brûleurs oxy-combustible 41, 42, 43, 44, 45, 46, 51, 52, 53, placés soit face 15 à face, soit en quinconce. Conformément à l'invention, les brûleurs 41, 42, 43, 44 placés près de l'évacuation de fumées amont 3 brûlent un combustible liquide, tandis que les brûleurs 51, 52, 53, placés loin de l'évacuation de fumées amont 3 et loin de l'évacuation de fumées aval 7 brûlent un combustible gazeux. En outre, les brûleurs 45 et 46 situés près de l'évacuation de fumées 20 aval 7 brûlent un combustible liquide Par mise en oeuvre du procédé tel que précédemment décrit, il devient possible de cumuler les avantages des flammes mettant en oeuvre des combustibles liquide et gazeux de manière optimale. Ainsi, l'inertie plus importante des flammes à combustible liquide garantit leur stabilité malgré la proximité des sorties fumées. D'autre part, leur transfert à la 25 charge étant plus important, les fumées de ces flammes ont une température plus faible et le bilan énergétique est meilleur que si des brûleurs à combustible gazeux avaient été installés. Quant aux brûleurs à combustible gazeux, leur positionnement permet d'assurer un temps de résidence dans le four plus important pour les fumées de ces flammes de manière à garantir un transfert total à la charge. 30 REVENDICATIONS 1. Procédé de fusion d'une charge au moyen de brûleurs de combustion oxy-combustible dans un four comprenant au moins une évacuation de fumée amont, caractérisé en ce que dans la zone de fusion de la charge : - les brûleurs placés près de l'évacuation de fumées amont brûlent un combustible liquide, - au moins un des brûleurs placé loin de l'évacuation de fumées amont brûle un combustible gazeux. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la zone de chauffage, les brûleurs placés le plus près de la zone d'affinage brûlent un combustible liquide. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le four comprend au moins une évacuation de fumées aval, et : - les brûleurs placés près de l'évacuation de fumées aval brûlent un combustible liquide, - au moins un des brûleurs placés loin des évacuations de fumées aval brûlent un combustible gazeux. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge est du verre ou des émaux.