Brevet FR2927148A1 — publié le 20090807

INJECTEUR GAZ A BAS NOX L'invention concerne un procédé et dispositif de combustion dans lequel l'alimentation en combustible est assurée par au moins un injecteur. L'invention sera plus particulièrement décrite pour une utilisation pour la fusion du verre dans les fours de verrerie, notamment les fours pour la fabrication de verre plat de type float ou les fours pour la fabrication de verre creux d'emballage, par exemple les fours fonctionnant en inversion du type de ceux utilisant des régénérateurs mais elle n'est pas pour autant limitée à de telles applications. La plupart des procédés de combustion du type précité notamment ceux utilisés dans les fours de verrerie sont confrontés à des problèmes d'émission non désirée de NOx dans les fumées de combustion. Les NOx ont une influence néfaste à la fois sur l'être humain et sur l'environnement. En effet, d'une part le NO2 est un gaz irritant à la source des maladies respiratoires. D'autre part, au contact de l'atmosphère, ils peuvent former progressivement des pluies acides. Enfin, ils engendrent une pollution photochimique puisqu'en combinaison avec les composés organiques volatiles et le rayonnement solaire, les NOx sont à l'origine de la formation de l'ozone dite troposphérique dont l'augmentation de concentration à basse altitude devient nocive pour l'être humain, surtout en période de forte chaleur. C'est pourquoi les normes en vigueur sur l'émission de NOx deviennent de plus en plus exigeantes. Du fait même de l'existence de ces normes, les fabricants et les exploitants de four, tels que ceux des fours verriers, se préoccupent, de manière constante, de limiter au maximum les émissions de NOx, de préférence à un taux de 800 mg par Nm3 de fumées pour un four à brûleurs transversaux ou de 600 mg par Nm3 de fumées pour un four à boucle. Les paramètres qui influent sur la formation des NOx ont déjà été analysés. Il s'agit essentiellement de la température, car au-delà de 1300°C l'émission des NOx croît de manière exponentielle, de l'excès d'air puisque la concentration des NOx dépend de la racine carrée de celle de l'oxygène ou encore de la concentration en N2. De nombreuses techniques ont déjà été proposées pour réduire l'émission des NOx. Une première technique consiste à faire intervenir un agent réducteur sur les gaz émis afin que les NOx soient convertis en azote. Cet agent réducteur peut être de l'ammoniac mais cela induit des inconvénients tels que la difficulté de stocker et manipuler un tel produit. Il est également possible d'utiliser un gaz naturel comme agent réducteur, mais cela se fait au détriment de la consommation du four et augmente les émissions de CO2. La présence de gaz réducteurs tels que le monoxyde de carbone dans certaines parties du four telles que les régénérateurs peut de plus provoquer une corrosion accélérée des réfractaires de ces zones. Il est donc préférable, sans que cela soit obligatoire, de s'affranchir de cette technique en adoptant des mesures dites primaires. Ces mesures sont ainsi appelées car on ne cherche pas à détruire les NOx déjà formés, comme dans la technique décrite ci-dessus, mais plutôt à empêcher leur formation, par exemple au niveau de la flamme. Ces mesures sont en outre plus simples à mettre en oeuvre et, par conséquent, plus économiques. Elles peuvent toutefois ne pas se substituer complètement à la technique précitée mais venir la compléter avantageusement. Ces mesures primaires constituent de toute façon un préalable indispensable pour diminuer la consommation de réactifs des mesures secondaires. On peut classer de manière non limitative les mesures existantes en plusieurs catégories : - une première catégorie consiste à réduire la formation de NOx à l'aide de la technique dite de "reburning" par laquelle on crée une zone en défaut d'air au niveau de la chambre de combustion d'un four. Cette technique présente l'inconvénient d'augmenter la température au niveau des empilages de régénérateurs et, le cas échéant, de prévoir une conception spécifique des régénérateurs et de leurs empilements, tout particulièrement en termes d'étanchéité et de résistance à la corrosion ; - une deuxième catégorie consiste à agir sur la flamme en réduisant voire empêchant la formation des NOx à son niveau. Pour cela, on peut par exemple chercher à réduire l'excès d'air de combustion. Il est également possible de chercher à limiter les pics de température en maintenant la longueur de flamme, et à augmenter le volume du front de flammes pour réduire la température moyenne au sein de la flamme. Une telle solution est par exemple décrite dans les US6047565 et WO9802386. Elle consiste en un procédé de combustion pour la fusion du verre, dans lequel l'alimentation en combustible et l'alimentation en comburant s'effectuent toutes deux de manière à étaler dans le temps le contact combustible/comburant et/ou à augmenter le volume de ce contact en vue de réduire l'émission des NOx. Rappelons qu'un injecteur est dédié à la propulsion de combustible, ce dernier ayant vocation à être brûlé par un comburant. Ainsi, l'injecteur peut faire partie d'un brûleur, le terme brûleur désignant généralement le dispositif comprenant à la fois l'amenée de combustible et celle de comburant. Le combustible est liquide du type fioul, ou gazeux tel que gaz naturel. Certains injecteurs, tels que décrits dans FR 2 834 774 par exemple, combinent au moins une amenée de combustible liquide et une de combustible gazeux. Il est d'autre part connu que les combustibles gazeux sont plus producteurs de NOx que le fioul. L'invention a pour but la conception d'un procédé de combustion ne mettant en oeuvre que du combustible gazeux, mais ne produisant que des quantités relativement faibles de NOx. Ce but est atteint par l'invention qui a pour objet un procédé de combustion, notamment pour la fusion du verre, dans lequel une flamme est créée par du combustible gazeux, caractérisé en ce que plusieurs jets périphériques de gaz basse pression régulièrement espacés les uns des autres convergent vers un jet central de gaz haute pression. Le jet central de gaz haute pression détermine la longueur de flamme, tandis que le débit global de gaz (basse et haute pression) détermine la puissance de la flamme. Le procédé de l'invention permet de maintenir constante une longueur de flamme en modifiant la puissance, ainsi que l'inverse. Les jets périphériques de gaz basse pression convergents retardent la prise de volume de la flamme. Ainsi le nombre de possibilités de réglage est-il augmenté, notamment avec raccourcissement de la flamme et diminution de l'émission de NOx. Selon des caractéristiques préférées du procédé de l'invention : - 70 à 90%, de préférence 75 à 85% de la puissance calorifique a pour origine le gaz basse pression ; - l'angle de convergence des jets périphériques de gaz basse pression vers le jet central de gaz haute pression est compris entre 4 et 10°, de préférence entre 5 et 8° ; - le nombre de jets périphériques de gaz basse pression est compris entre 4 et 16, de préférence 8 et 12 ; -tous les jets périphériques de gaz basse pression ont les mêmes caractéristiques : section, débit, angle de convergence vers l'axe du jet central de gaz haute pression. L'invention a également pour objet un injecteur pour mettre en oeuvre un procédé selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit d'amenée de gaz haute pression circonscrit dans un conduit coaxial d'amenée de gaz basse pression dont le débouché est totalement obstrué par une rondelle munie de trous de sections identiques, régulièrement espacés autour de l'axe desdits conduits d'amenée et convergeant tous du même angle vers cet axe. De préférence les sections droites des trous û c'est-à-dire dans des plans perpendiculaires à l'axe des trous û ont des périmètres circulaires. D'autres objets de l'invention sont : - un brûleur comprenant un ou plusieurs injecteurs décrits ci-dessus ; et - un four, notamment à boucle ou à brûleurs transversaux, comprenant au moins un tel brûleur. L'invention est maintenant illustrée par l'exemple suivant, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la Figure 1 est une vue de face d'une rondelle faisant partie d'un injecteur de l'invention, et - la Figure 2 est une vue en coupe de cette rondelle. La rondelle 1 comporte dix trous 2 régulièrement espacés autour de l'axe 3. Les trous 2 circulaires convergent d'un angle de 6° vers l'axe 3. Par ailleurs la rondelle 1 comporte un trou central destiné à recevoir le jet central de gaz haute pression, tandis que les jets périphériques de gaz basse pression passent par les trous convergents 2. Des essais sont effectués dans un four à boucle de 44 m2. On travaille dans une première phase avec un injecteur alternativement en partie droite et gauche du four. Il s'agit d'un injecteur double impulsion gaz ne se différenciant de celui de l'invention que par l'absence de jets basse pression individualisés et convergents. Dans cet exemple, l'injecteur est en position centrale sous la veine d'air avec un angle de 5° vers le haut, la veine d'air étant dirigée vers le bas d'un angle de 22°. L'injecteur est incliné de 3° d'azimut vers l'axe central intérieur du four. Les valeurs sont données à 8% d'O2 et 5000 ppm de CO. La puissance de l'injecteur est maintenue constante à 8000 kW. L'émission de NOx est de 687 mg/Nm3 pour une impulsion spécifique Ispé (définie comme le rapport de l'impulsion totale du jet de combustible à la puissance calorifique) de 4N/MW. L'injecteur est maintenant modifié conformément à l'invention, par l'utilisation de la rondelle des Figures 1 et 2. A une impulsion spécifique de 4 N/MW, l'émission de NOx descend à 587 mg/Nm3. REVENDICATIONS 1 Procédé de combustion, notamment pour la fusion du verre, dans lequel une flamme est créée par du combustible gazeux, caractérisé en ce que plusieurs jets périphériques de gaz basse pression régulièrement espacés les uns des autres convergent vers un jet central de gaz haute pression. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 70 à 90%, de préférence 75 à 85% de la puissance calorifique a pour origine le gaz basse pression. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle de convergence des jets périphériques de gaz basse pression vers le jet central de gaz haute pression est compris entre 4 et 10°, de préférence entre 5 et 8°. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de jets périphériques de gaz basse pression est compris entre 4 et 16, de préférence 8 et 12. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tous les jets périphériques de gaz basse pression ont les mêmes caractéristiques. 6. Injecteur pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit d'amenée de gaz haute pression circonscrit dans un conduit coaxial d'amenée de gaz basse pression dont le débouché est totalement obstrué par une rondelle munie de trous de sections identiques, régulièrement espacés autour de l'axe desdits conduits d'amenée et convergeant tous du même angle vers cet axe. 7. Injecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les sections droites des trous ont des périmètres circulaires. 8. Brûleur comprenant un ou plusieurs injecteurs selon l'une des revendications 6 ou 7. 9. Four, notamment à boucle ou à brûleurs transversaux, comprenant au moins un brûleur selon la revendication 8.