Brevet FR2924201A1 — publié le 20090529

La présente invention concerne l'utilisation d'oxybrûleurs pour le chauffage d'une matière présente dans une zone de chauffage, telle que les canaux de distribution de verre. Les brûleurs sont communément utilisés comme système de chauffage pour le chauffage d'une matière présente dans une zone de chauffage. Dans le présent contexte, le terme chauffage couvre non seulement l'apport d'énergie à une matière pour en faire monter la température, mais également les procédés d'apport d'énergie visant à maintenir ou à contrôler la température de cette matière. Un brûleur est un dispositif utilisé pour réunir un combustible et un comburant en vue de leur combustion. Le combustible et le comburant sont usuellement véhiculés vers la zone de chauffage à travers le brûleur depuis l'extérieur de l'enceinte définissant la zone de chauffage. L'air est le comburant traditionnellement utilisé. La combustion avec de l'air comme comburant est appelée l'aérocombustion. Pour augmenter l'efficacité énergétique des brûleurs et pour diminuer la quantité de polluants et notamment de NOx produits, l'air comme comburant peut être avantageusement remplacé par de l'air enrichi en oxygène ou par de l'oxygène plus ou moins pur. La combustion est alors appelée oxycombustion et les brûleurs correspondants des oxybrûleurs. Ce changement de comburant a pour effet de modifier les caractéristiques de la combustion et a fortiori celles de la flamme. Lors d'un changement de l'aérocombustion vers l'oxycombustion, la température de la flamme devient plus importante. Le transfert radiatif devient plus intense et s'exerce dans une autre gamme de longueurs d'onde. L'ensemble de ces éléments contribue à une amélioration du transfert thermique entre la flamme et la matière à chauffer. Selon l'application visée, les brûleurs sont choisis en fonction de leur 30 puissance et/ou de la forme de leur flamme. La puissance d'un brûleur et la forme de la flamme obtenue dépendent essentiellement de la conception du brûleur et de la nature et des débits de combustible et de comburant. L'injecteur (ou nez) d'un oxybrûleur est généralement réalisé en matière métallique (acier ou acier réfractaire par exemple) et est souvent disposé à l'intérieur d'un bloc ouvreau en matériaux réfractaires. Pour les applications industrielles, la durabilité et la fiabilité et la 5 performance énergétique sont des propriétés particulièrement importantes pour un brûleur. Par ailleurs, il est souhaitable de pouvoir utiliser un même brûleur ou un même type de brûleur à des puissances différentes selon les caractéristiques techniques du procédé dans lequel le ou les brûleurs sont utilisés et/ou de manière à 10 pouvoir tenir compte du vieillissement de la chambre définissant la zone de chauffage. En pratique, on constate que les températures élevées rencontrées lors du procédé de chauffage par oxycombustion limitent la durabilité (durée de vie) du brûleur lorsque le brûleur n'est pas utilisé correctement. 15 Par exemple, une montée en température excessive du nez du brûleur peut conduire à la dégradation rapide de ce dernier nécessitant une mise hors fonction du brûleur. Pour limiter ce risque, le nez du brûleur est généralement situé en retrait dans le bloc ouvreau. Toutefois, cette configuration peut aussi avoir pour effet une augmentation 20 très importante de la température du bloc et la formation de points chauds dans le bloc et/ou à l'apparition de zones de fusion du bloc susceptible d'entraîner une mise hors fonction du bloc et du brûleur. Un autre problème rencontré avec ce type de brûleur est un manque de fiabilité ou performance énergétique régulière dû à la formation de dépôts. 25 En effet, une formation de suie avec dépôt de carbone sur l'injecteur du combustible est souvent accompagnée d'une modification de la position de la flamme étant donné la modification du centrage et/ou de la géométrie de la flamme ; et donc d'une modification de l'efficacité du procédé de chauffage. Par ailleurs, une telle modification de la position de la flamme à cause d'une 30 formation de suie sur le nez du brûleur peut aussi induire une zone de surchauffe ou de fusion sur le bloc et donc limiter la durabilité du bloc et parfois aussi brûleur. Enfin, des matières volatiles provenant de la zone de chauffage peuvent venir se déposer dans le bloc ou sur le nez du brûleur. Un dépôt important de matières volatiles dans le bloc/sur le nez peut également engendrer une déviation de la flamme qui, comme explicité précédemment pour les dépôts de carbone, réduit la fiabilité du brûleur voire aussi sa durabilité. La présente invention à pour but de remédier aux inconvénients susmentionnés des brûleurs au moyen d'un procédé et d'un système de chauffage optimisés. Dans la description de l'invention ci-après référence est faite aux figures 1 à 6 dans lesquelles : • • la figure 1 représente en en vue de coupe un canal de verre avec les positions du bain de verre et des blocs ; • • la figure 2 est un schéma d'un bloc ouvreau utilisé dans les canaux de distribution de verre, avec la position du nez du brûleur et celle de la flamme, • • la figure 3 est une représentation schématique d'un bloc où sont indiquées les grandeurs utilisées pour le calcul de l'indice de fonctionnement, ledit indice sera explicité dans la suite du présent document. • • la figure 4 représente la matrice de fonctionnement d'un brûleur suivant l'invention en fonction de l'impulsion de combustible IF et de l'impulsion de comburant Iox, • • la figure 5 représente une vue agrandie de la figure 4 autour de la zone I ; les valeurs de FM et Fm, qui seront explicitées dans la suite du document, sont données pour différentes combinaisons des impulsions de comburant et de combustible, • • la figure 6 est un schéma d'un injecteur de brûleur tube dans tube avec l'injection du combustible au centre par le biais d'un foret pour la création d'un mouvement de rotation, le comburant étant injecté sur la périphérie. La présente invention concerne notamment un procédé pour le chauffage d'une matière présente dans une zone de chauffage, et ceci par la combustion d'un combustible avec un comburant au moyen d'un brûleur qui comporte un injecteur disposé à l'intérieur d'un bloc. La combustion étant une oxycombustion, le comburant présente une teneur en oxygène supérieure à 21% vol. Le bloc définit un passage d'entrée et une chambre de brûleur. Ledit passage d'entrée a une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie. Le passage d'entrée débouche par son extrémité de sortie dans la chambre du bloc. Ladite chambre du bloc comporte un cône aval et débouche par ce cône aval 5 dans la zone de chauffage où se trouve la matière à chauffer. L'injecteur du brûleur est monté dans le passage d'entrée jusqu'à l'extrémité de sortie du passage d'entrée directement en amont de la chambre. Ainsi, le comburant et le combustible véhiculés à travers l'injecteur, entrent dans le bloc par l'extrémité d'entrée du passage d'entrée et sortent de l'injecteur à l'extrémité de sortie dudit 10 passage de manière à être injectés dans la chambre du bloc. Selon l'invention, la chambre du bloc présente un indice de confinement Ic°nf> 0,10. Cet indice de confinement Iconf répond à la formule suivante Iconf = (S/S') x (L/L') x (141+ a/100)), dans lequel : - � L' � est la longueur la plus longue du cône aval exprimée en m ;, 15 - � L � est la longueur la plus courte du cône aval exprimée en m., - � S � est la section la plus petite du cône aval exprimée en m2, - � S' � est la section du cône aval à sa longueur L la plus courte exprimée en m2 - � a � est l'angle du cône aval exprimé en ° (degrée). Les différentes grandeurs L', L, S, S' et a sont représentées dans la figure 3. 20 L'indice de confinement traduit le degré de confinement de la flamme à l'intérieur du bloc. Plus la valeur de l'indice est élevée, plus la flamme sera confinée. Egalement selon l'invention, le combustible est injecté par l'injecteur dans la chambre du bloc avec une impulsion IF à la sortie de l'injecteur et le comburant est injecté dans la chambre du bloc par l'injecteur avec une impulsion IoX à la sortie de 25 l'injecteur de manière à ce que 0,7 3,8 alors IF La présente invention permet ainsi à l'homme du métier de réaliser les impulsions de combustible et de comburant suivant l'invention lors de la conception du brûleur, par un choix approprié des dimensions des sections de passage du brûleur en fonction du débit massique. Les plages citées ci-dessus pour l'impulsion de combustible IF et pour l'injection de comburant Iox à la sortie de l'injecteur correspondent aux zones I et II dans la figure 4. Suivant une forme de mise en oeuvre préférée de l'invention, Procédé de chauffage suivant la revendication 1, dans lequel 2,3 Enfin la zone II correspond à un fonctionnement intermédiaire ; le risque de dégradation du nez du brûleur et du bloc est réduit par rapport à la zone III, mais plus élevé que dans la zone I préférée. Pour diverses applications, l'indice de confinement Ioonf est de manière utile inférieure ou égale à 0,35. Pour une durabilité et une fiabilité et une performance énergétique encore plus optimisées du brûleur, la longueur maximale du cône ne doit pas dépasser une valeur maximale qui est fonction des impulsions du comburant et du combustible. Ainsi, suivant une forme de réalisation avantageuse de l'invention : - - quand Ioonf La puissance du brûleur est de préférence de 0,1 à 500 kW. L'indice de confinement Iconf est typiquement inférieur à 1,00. Selon une variante préférée du procédé, le brûleur comporte des moyens pour conférer une rotation au comburant et/ou au combustible à la sortie de l'injecteur, le brûleur étant de préférence un brûleur tube dans tube comportant un foret à l'intérieur du tube central pour le combustible. Dans ce cas, le procédé peut notamment mettre en oeuvre un brûleur du type décrit dans US-A-6431467 au nom d'American Air Liquide. Ce type de brûleur comprend plus particulièrement : un premier conduit pour le passage du comburant, -- un second conduit coaxial au premier conduit et placé à l'intérieur dudit premier conduit pour le passage du combustible, - un embout placé à l'extrémité du premier conduit, - une buse placée à l'extrémité du second conduit, - un moyen permettant de faire tourbillonner le comburant placé sur la buse placée à l'extrémité du second conduit. Selon cette variante, le moyen permettant de faire tourbillonner le comburant peut comprendre un objet de forme allongée centrée de manière aérodynamique à l'intérieure de la buse du second conduit, le diamètre interne de ladite buse étant supérieur au diamètre de l'objet de forme allongée du moyen permettant de faire tourbillonner le comburant. L'objet de forme allongée peut être constitué d'au moins une tige hélicoïdale (foret) sur une portion de sa longueur. L'injecteur d'un tel brûleur est représenté schématiquement dans la figure 6. Selon cette variante, le brûleur peut également comprendre un moyen permettant de faire tourbillonner le comburant placé sur l'embout placé à l'extrémité du premier conduit ; ce moyen permettant de faire tourbillonner le comburant peut être constitué d'un ressort hélicoïdal. Ce type de brûleur convient particulièrement parce qu'il produit une flamme de longueur constante indépendamment des variations de puissance. Le procédé suivant l'invention est utile pour différentes applications. Le procédé peut notamment être utilisé pour chauffer du verre fondu, et plus particulièrement pour chauffer du verre fondu à l'intérieur d'un canal de distribution de verre. Le procédé suivant l'invention peut également être utilisé pour le chauffage d'une matière à l'intérieur d'un four de fusion Dans le procédé suivant l'invention, le brûleur peut en particulier être monté dans une paroi latérale. Le combustible est typiquement un combustible gazeux, tel que le gaz naturel, le méthane, le propane et le butane. Toutefois, le combustible peut également être un jet fluidisé d'un carburant liquide (atomisé) ou d'un carburant solide pulvérisé. L'angle a est avantageusement de 1 à 16°. La longueur L' la plus longue du cône aval est de préférence La présente invention est illustrée ci-après au moyen d'un exemple non-limitatif dans le domaine des canaux de distribution de verre. Dans un canal où circule un fluide qui nécessite l'apport d'une énergie pour son chauffage, y compris son maintien à température, les caractéristiques du dit fluide (température, viscosité pour exemples) doivent être généralement contrôlées. C'est le cas par exemple pour le verre. La température du verre qui sort du four de fusion doit être contrôlée avant que le verre n'arrive dans les machines de formage de telle façon à ce que le verre acquiert les propriétés adéquates pour sa mise en forme, telle que la viscosité pour exemple. Des canaux de distribution, appelés aussi �Feeders� ou �ForeHearth� en termes anglo-saxons, sont utilisés pour acheminer le verre entre la sortie du four de fusion et l'entrée des machines de formage. Ces canaux de distribution disposent de systèmes de chauffage permettant d'apporter l'énergie nécessaire au verre tout au long de son cheminement. Etant donné que le verre se refroidit principalement sur les extrémités des canaux de distribution, par contact avec les matériaux réfractaires constituant les canaux de distribution, il est nécessaire de transmettre l'énergie de chauffage principalement aux extrémités des canaux de distribution pour pallier ces déperditions. Comme illustré dans la figure 1, les systèmes de chauffage communément utilisés dans les canaux de distribution de verre 10 sont des brûleurs 11 montés dans les parois latérales du canal. L'injecteur desdits brûleurs 11 est situé en retrait à l'intérieur d'un bloc ouvreau 13 (voir figure 2). Selon les caractéristiques techniques du procédé (température du verre pour exemple) qui peuvent être différentes d'un site industriel à un autre, et selon le nombre de brûleurs 11 qui sera utilisé pour une zone de canal 10 considérée, il pourra être nécessaire d'utiliser les brûleurs à puissances différentes pour une même géométrie de bloc donnée. Grâce à l'oxycombustion, la température de la flamme est plus importante, le transfert radiatif est plus intense et s'exerce dans une gamme de longueurs d'onde qui peut être davantage propice à l'absorptivité du verre ; l'ensemble de ces éléments contribue à une amélioration du transfert thermique entre la flamme et le verre par rapport à un système analogue d'aérocombustion. Le bon fonctionnement des canaux de distribution de verre impose plusieurs critères en ce qui concerne la puissance et la forme de la flamme. Ainsi, si la flamme est trop courte, le verre sera insuffisamment chauffé. A contrario, si la flamme est trop longue, la zone la plus chaude de la flamme se trouve alors située au-delà de l'extrémité du canal (ou rive), ceci a pour conséquence que le transfert thermique sur les rives est atténué. Un autre effet négatif dans le cas d'une flamme trop longue peut consister en 20 une interaction des flammes opposées, ce qui peut se traduire par une surchauffe et une dégradation de la voûte du canal. L'homme du métier sélectionnera par conséquent, pour le chauffage du verre fondu dans les canaux de distribution, les oxybrûleurs permettant d'éviter les problèmes ci-dessus. 25 Toutefois, comme expliqué ci-dessus, l'oxycombustion présente des problèmes de durabilité et de fiabilité pour le bloc et/ou pour le brûleur. La présente invention permet à l'homme du métier de réaliser des brûleurs, et notamment des brûleurs tube dans tube, qui permettent le bon fonctionnement des canaux de distribution de verre et qui sont durables et fiables, et ceci notamment en 30 fonction de la puissance requise et de la géométrie du bloc. Comme déjà indiqué, l'invention est particulièrement utile en cas de retrofit. En appliquant le procédé suivant l'invention, l'énergie transférée au canal est optimisée. Par ailleurs, le niveau de température du bloc diminue de manière significative pour se situer en dessous de 1500 °C, comme mesuré expérimentalement. Les contraintes thermiques exercées sur le bloc étant diminuées, la durée d'utilisation du bloc est allongée. Cet état de fait est aussi vrai pour les blocs de grandes longueurs. En plus d'optimiser le transfert thermique et de diminuer les contraintes sur le bloc, 5 le risque de surchauffe du nez du brûleur et de dégradation du brûleur (bouchage des injections) ou du bloc est aussi réduit. En effet, lorsque les impulsions des réactifs sont ajustées, les mesures de température ont montré que la température du nez du brûleur diminuait de 100 °C voire davantage pour se situer généralement en dessous de 1150 °C. Les mesures 10 expérimentales ont montré que le risque de formation de suie est généralement augmenté lorsque la température du nez, composé en acier, dépasse 1150 °C. Un effet remarquable de l'invention consiste en la réduction d'une part du flux thermique radiatif et d'autre part des matières volatiles reçus tous deux dans le bloc et provenant de la zone de chauffage d'un écran thermique et physique et peut 15 limiter ainsi le dépôt de particules volatiles dans le bloc. Or, comme indiqué précédemment, un dépôt important de matières volatiles dans le bloc peut engendrer une déviation de la flamme si cette dernière entre en contact avec le dit dépôt et a fortiori un risque de détériorer le bloc. Dans le cas où l'application industrielle nécessitera de faire varier la 20 puissance du brûleur, il est utile d'utiliser la variante de l'invention avec l'usage d'un foret situé dans l'injection de combustible tel que décrit dans le brevet US-A-6029910 � Low firing rate oxy-fuel burner � au nom d'American Air Liquide de façon à ce que l'effet de rotation du gaz permet de maintenir la réaction de combustion dans la même zone spatiale quand la puissance du brûleur varie. 25 Revendications 1. Procédé pour le chauffage d'une matière présente dans une zone de chauffage par combustion d'un combustible avec un comburant au moyen d'un brûleur comportant un injecteur disposé à l'intérieur d'un bloc, -l'injecteur étant monté dans le passage d'entrée jusqu'à l'extrémité de sortie du passage d'entrée directement en amont de la chambre, caractérisé en ce que : - la chambre présente un indice de confinement Iconf > 0, 10 avec Iconf = (S/S') x (L/L') x (1/(1+ a/100)), L' étant la longueur la plus longue du cône aval, L étant la longueur la plus courte du cône aval, S étant la section la plus petite du cône aval, S étant la section du cône aval à sa longueur L la plus courte, et a étant l'angle du cône aval, - le combustible est injecté par l'injecteur dans la chambre de brûleur avec une impulsion IF à la sortie de l'injecteur et le comburant est injecté par l'injecteur dans la chambre du brûleur avec une impulsion Iox à la sortie de l'injecteur de manière à ce que 0,7 3,8 alors IF 2. Procédé de chauffage suivant la revendication 1, dans lequel 2,3 3. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel Iconf 4. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel : -quand Iconf 5. Procédé suivant la revendication 4, dans lequel : - quand Icon f 6. Procédé suivant la revendication 4, dans lequel : - quand Iconf 7. Procédé suivant la revendication précédente, dans lequel la teneur en oxygène du comburant est supérieure ou égale à 50 %vol, de préférence supérieure ou égale à 70 %vol et encore de préférence supérieure ou égale à 80 %vol et plus de préférence encore supérieure ou égale à 87 %vol. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le brûleur est un brûleur tube dans tube. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le brûleur a une puissance de 0,1 à 500 kW 10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel 25 la chambre présente un indice de confinement Iconf 11. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le brûleur comporte des moyens pour conférer une rotation au comburant et/ou au combustible à la sortie de l'injecteur. 12. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel la matière à chauffer est du verre fondu. 30 13. Procédé suivant la revendication 12, dans lequel la zone de chauffage se situe à l'intérieur d'un canal de verre. 14. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 12, dans lequel la zone de chauffage se situe à l'intérieur d'un four de fusion. 15. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel le brûleur est monté dans une paroi latérale. 16. Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le combustible est un combustible gazeux. 17. Procédé suivant la revendication précédente dans lequel le combustible est choisi de préférence parmi le gaz naturel, le méthane, le propane et le butane. 18. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 15, dans lequel le combustible est un _jet fluidisé d'un carburant liquide pulvérisé ou d'un carburant solide pulvérisé 20 19. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel a est de 1 à 16°. 20. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel L'