Brevet FR3008480A1 — publié le 20150116

COMBUSTION DILUEE EXTERNE L'invention concerne un four à régénérateur mettant en oeuvre une combustion diluée par sa propre fumée. Notamment, le procédé utilisant le four selon l'invention est faiblement générateur d'émissions dites « NOx ». L'homme du métier désigne généralement par « NOx » les émissions d'oxyde d'azote du type NO et/ou NO2 provenant de l'oxydation non-souhaitée d'azote. Une source importante d'azote est celui contenu dans le comburant tel que l'air ou l'air enrichi en oxygène. La plupart des procédés de combustion, 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 de 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 inférieur à 800, voire inférieur à 600 mg par Nm3 de fumées à 8% en volume 25 d'oxygène. Selon cette convention, si l'on mesure y mg/Nm3 de NOx dans une fumée à x vol % d'oxygène, on exprime la teneur en NOx par le résultat r (en mg/Nm3) à 8% d'oxygène par la formule : r = y. [(21-8)/21-x)] le taux d'oxygène dans l'air étant de 21 vol %. La température est un paramètre influençant fortement la formation des NOx. Au-delà de 1300°C, l'émission des NOx tend à croître de manière très importante. La réduction des NOx peut être faite selon deux principes appelés méthodes primaires et méthodes secondaires. Les méthodes primaires consistent à empêcher la formation des NOx tandis que les méthodes secondaires visent à détruire les NOx après leur formation. Les méthodes primaires sont généralement préférées. Afin de limiter la formation des NOx au niveau de la flamme, on peut notamment chercher à réduire l'excès d'air de combustion. Il est également possible de chercher à limiter les pics de température en augmentant le volume du front de flamme pour réduire la température moyenne au sein de la flamme. Une telle solution est par exemple décrite dans les US6047565 et W09802386. Ce 10 type de combustion est appelé combustion sans flamme ou combustion diluée. La combustion diluée permettant de réduire les NOx repose sur le principe de la dilution des partenaires de réaction dans les fumées du laboratoire, conduisant à des températures de flamme plus faibles et plus homogènes. L'alimentation en combustible et l'alimentation en comburant s'effectuent toutes deux de manière à taler dans le temps le contact combustible/comburant et/ou à augmenter le volume de ce contact en vue de réduire l'émission de NOx. Les EP413309, EP896189 et US2010199722 enseignent des dimensions de conduits et des vitesses pour le combustible et le comburant afin d'optimiser une combustion diluée. Le four selon l'invention utilise de l'air comme comburant. Cet air est dilué par la fumée de combustion générée par le four lui-même. La dilution de l'air par la fumée de combustion peut théoriquement être à l'origine d'une baisse de rendement en raison de la baisse de concentration en oxygène dans le comburant amené au four et donc de la hausse des débits massiques de fumées. On a cependant trouvé que cette baisse de rendement était bien plus faible que ce que l'on pouvait imaginer, dès lors que le mélange air/fumée était réalisé en amont des régénérateurs alimentant les brûleurs du four en comburant. On pense que la baisse de la concentration en oxygène dans le comburant est compensée par les propriétés radiatives du gaz carbonique et de l'eau amenés par la fumée. Ces espèces sont sans doute à l'origine d'un meilleur transfert thermique dans le régénérateur en phase de chauffage du comburant. L'invention concerne un four comprenant une paire de brûleurs (ce qui recouvre la possibilité que le four comprenne plusieurs paires de brûleurs) munis chacun d'un régénérateur, lesdits brûleurs fonctionnant en inversion, chaque brûleur en phase d'émission de flamme étant alimenté par un comburant passant par son régénérateur dit en phase d'émission de comburant, ainsi que par un combustible, ledit four comprenant un circuit d'évacuation des fumées sortant des régénérateurs, un circuit d'alimentation en comburant des régénérateurs, ledit circuit comprenant une alimentation en air, un moyen d'extraction d'une fraction de la fumée sortant du régénérateur dit en phase de réception de fumée, un moyen de mélange de ladite fraction de fumée avec l'air destiné au brûleur en phase d'émission de flamme pour former le comburant, mélange d'air et de fumée, dudit brûleur. Le comburant, mélange d'air et de fumée, passe par le régénérateur d'un brûleur puis par ledit brûleur, lequel est placé derrière ledit régénérateur, en référence au sens de déplacement du comburant. Les brûleurs munis de leur régénérateur fonctionnent par paires, qu'il s'agisse d'un four à brûleurs transversaux ou d'un four à boucle, les brûleurs d'une paire étant en phase d'émission de flamme de manière alternée. Les régénérateurs d'une paire de brûleurs associés fonctionnent également de façon alternée en fonction de la phase de fonctionnement de leur brûleur. Un 20 régénérateur peut être émetteur de comburant pour son brûleur en phase d'émission de flamme, et en receveur de fumée du four si son brûleur n'émet pas de flamme. Chaque brûleur est alimenté en comburant par un régénérateur dédié et c'est pourquoi on peut parler du régénérateur d'un brûleur. Chaque régénérateur est en phase d'émission de comburant ou en phase de réception de 25 fumée, les deux régénérateurs d'une paire de brûleurs associés étant en phases inverses. L'homme du métier parle d' « inversion » pour désigner l'un ou l'autre mode de fonctionnement d'un brûleur ou régénérateur. Les régénérateurs sont remplis d'éléments réfractaires (briques, cruciformes, etc...) formant un réseau parcouru par les fumées ou le comburant selon la phase de fonctionnement. Lorsque le régénérateur est traversé par la fumée, la chaleur de la fumée est transmise aux éléments réfractaires du régénérateur. Lorsque le régénérateur est traversé par le comburant, la chaleur des éléments réfractaires du régénérateur chauffe le comburant. La fumée sortant d'un premier régénérateur passe par un premier conduit puis par un carneau central alimentant une cheminée. La fumée sortant du second régénérateur passe par un second conduit puis par le carneau central alimentant la cheminée. Les conduits reliés aux deux régénérateurs associés se rejoignent donc à un carneau central menant la fumée de combustion à la cheminée. Chaque conduit situé entre un régénérateur et le carneau central peut être obstrué ou non par un registre, également appelé registre d'inversion, selon la phase de fonctionnement du régénérateur. Un registre est fermé si le régénérateur qui lui correspond est en phase d'alimentation en comburant. Un registre est ouvert si le régénérateur qui lui correspond est en phase de réception de fumée. Une canalisation d'alimentation en air débouche dans chacun des conduits précités et alimente chaque régénérateur l'un après l'autre grâce à un distributeur comprenant deux vannes à guillotines et orientant alternativement l'air dans l'un ou l'autre des régénérateurs en fonction du sens de l'inversion. Chaque conduit relié à un régénérateur peut donc recevoir de la fumée du régénérateur ou de l'air selon la phase de fonctionnement du régénérateur, ce choix étant réalisé par l'ouverture ou la fermeture du registre et de la vanne à guillotine auxquels le conduit est relié. La fumée destinée à être mélangée à de l'air pour former le comburant alimentant un régénérateur est prélevée dans le circuit d'acheminement de la fumée avant l'arrivée de celle-ci à la cheminée. L'endroit du prélèvement est de préférence situé entre un registre et la cheminée, et de manière préférée au niveau d'un carneau central. En effet, les conduits recevant les fumées sortant des régénérateurs alimentent en fumée généralement un carneau central unique alimentant lui-même une cheminée. Avantageusement, le moyen d'extraction extrait la fraction de fumée au niveau du carneau central. En prélevant cette fraction de fumée au niveau du carneau central, on peut réaliser un prélèvement unique servant à la préparation du comburant des deux régénérateurs de façon alternée, l'alternance étant réalisée par un jeu de vannes alimentant l'un après l'autre chaque conduit relié à un régénérateur, selon la phase de fonctionnement du régénérateur. Un ventilateur extracteur permet d'aspirer la quantité de fumée souhaitée. Le moyen d'extraction de la fraction de fumée comprend généralement un ventilateur alimenté par un régulateur de vitesse afin de pouvoir régler précisément la quantité de fumée extraite. La fumée destinée à être mélangée à l'air pour former le comburant débouche dans le conduit relié à un régénérateur entre le registre d'inversion du régénérateur et le régénérateur lui-même. L'air alimentant un régénérateur débouche également dans le conduit relié à un régénérateur entre le registre d'inversion du régénérateur et le régénérateur lui-même. Le mélange air/fumée commence donc à se faire dans ce conduit relié au régénérateur et se poursuit en s'homogénéisant dans le régénérateur avant de déboucher dans un brûleur du four. De préférence, l'arrivée de la fumée dans le conduit relié à un régénérateur est située entre l'arrivée d'air dans le même conduit et le régénérateur. Le registre est ainsi protégé de la fumée par de l'air. Les pièces métalliques du registre d'inversion sont ainsi protégées de la corrosion pouvant être occasionnée par l'acidité de la fumée liée en particulier à sa teneur en soufre. Ainsi, chaque conduit situé entre un régénérateur et le carneau central est muni d'un registre d'inversion pouvant obstruer ledit conduit lorsque ledit régénérateur est en phase d'émission de comburant. La partie du conduit situé entre un registre d'inversion et un régénérateur en phase d'émission de comburant reçoit la fraction de fumée et l'alimentation en air, cette dernière étant de préférence située plus près du registre d'inversion que l'arrivée de la fraction de fumée. Le comburant, mélange air/fumée, arrive dans le régénérateur en bas de celui-ci et ressort du régénérateur en haut de celui-ci. De façon générale, les fumées sont transportées dans des canalisations (notamment les conduits et le carneau central précités) dont le matériau résiste aux condensations acides. Ces canalisations sont de préférence calorifugées afin d'éviter les déperditions thermiques et de limiter les condensations. Le dosage de la fumée dans le comburant peut être régulé par mesure du taux d'oxygène dans le comburant rentrant dans le four. Ce taux d'oxygène peut être mesuré à l'aide de sondes de prélèvements situées dans les deux conduits de brûleurs (gauche et droite). L'échantillon prélevé par cette sonde peut être analysé par l'intermédiaire d'un analyseur d'oxygène de type paramagnétique. Cette 30 mesure peut être effectuée alternativement des deux côtés du four en fonction du sens d'inversion. Le four selon l'invention peut donc comprendre un dispositif d'analyse du taux d'oxygène dans le comburant et un régulateur du mélange air/fumée en fonction du taux d'oxygène mesuré par le dispositif d'analyse du taux d'oxygène dans le comburant. Afin de limiter l'encrassement des sondes par des particules provenant des fumées, de l'air peut-être injecté dans la sonde se trouvant du côté «fumée». D'autres systèmes mesurant le taux d'oxygène dans le comburant peuvent aussi être utilisés, en particulier un capteur laser dans chaque conduit d'introduction du comburant dans le four. Le taux de fumée dans le comburant mélange air/fumée peut être compris dans le domaine allant de 2 à 30% en masse et est avantageusement compris dans le domaine allant de 5 à 15% en masse. En conséquence, le taux d'oxygène dans le comburant alimentant le four est généralement compris entre 15 et 20,5 % en volume. L'invention peut s'appliquer à tous les fours à régénérateurs, notamment les fours verriers pour chauffer du verre fondu et notamment fondre du verre. Ces fours peuvent être du type four à brûleurs transversaux ou du type four à boucle. Ainsi, le four selon l'invention comprend généralement de une à dix paires de brûleurs munis chacun d'un régénérateur. L'invention est plus particulièrement 15 destinée aux fours à boucle. Un four à boucle comprend généralement une seule paire de brûleurs fonctionnant en inversion. Un four à brûleurs transversaux peut ne comprendre qu'une paire de brûleurs fonctionnant en inversion, mais il comprend généralement de deux à dix paires de tels brûleurs. Dans un four à brûleurs transversaux, les deux brûleurs associés dans la même paire se font face en équipant chacun une des deux parois latérales (également appelées piedroits) du four. Exemples On a simulé un four à boucle d'une capacité de 310 tonnes par jour et 25 équipé de deux brûleurs associés de 12 MW chacun, lesdits brûleurs fonctionnant en inversion l'un après l'autre, d'un dispositif d'extraction de fumées et de formation d'un comburant air/fumées comme représenté à la figure 1. On a fait varier le taux de dilution du comburant de 10 à 30% et calculé l'évolution du transfert à la charge, c'est-à-dire l'évolution du flux transféré au bain de verre relativement à un cas non-dilué ainsi que l'évolution du taux de NOx à 8% en volume d'oxygène relativement à un cas non-dilué. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 1. Dilution Evolution du transfert à la Evolution des émissions massique fumée dans charge de NOx le comburant) 10% -0,1% -14% 20% -2,2% _35% 30% _5% -54% Tableau 1 On remarque que la dilution du comburant provoque une diminution du transfert dans une faible proportion par rapport à la baisse de NOx obtenu. Notamment, pour 10% de fumée dans le mélange air/fumée, le transfert à la charge n'est pas diminué de façon sensible tout en procurant une diminution de NOx de 14%. La figure 1 représente un four à boucle selon l'invention, vu de dessus. Ce four comprend une cuve 1 contenant le verre fondu, lequel quitte la cuve par la sortie 2. Le four est muni de deux régénérateurs 3 et 3' identiques, juxtaposés et placés tous deux derrière la face amont de la cuve. Des niches 4 et 4' sont ménagées dans les parois latérales de la cuve pour l'introduction des matières vitrifiables. Un barrage 5 immergé dans le bain en fusion est prévu dans la moitié 15 aval de la cuve. La flamme 6 forme une boucle dans l'atmosphère du four, partant du régénérateur 3' pour aller vers l'autre régénérateur 3 dans lequel la chaleur des fumées est récupérée. Après avoir traversé le régénérateur 3, les fumées sont acheminées par un premier conduit 12 puis par le carneau central 7 à la cheminée 8, le registre 9 placé derrière le régénérateur 3 et sur le conduit 12 étant en position ouverte. Le régénérateur 3' est alimentée en air provenant du conduit 10 et traversant une vanne à guillotine 11 en position ouverte. Le registre 13 placée derrière le régénérateur 3' est en position fermée ainsi que la vanne à guillotine 18, obligeant l'air arrivant du conduit 10 à traverser le régénérateur 3'. De la fumée de combustion est extraite du carneau central 7 par le ventilateur 14 puis dirigé vers le second conduit 15 après avoir traversé la vanne 16 en position ouverte. La vanne 17 est en position fermée. Cette fumée est mélangée à l'air dans le conduit 15 pour former un comburant d'air dilué par des gaz de combustion De façon générale sur cette figure, un rectangle rempli d'une croix représente un registre ou une vanne à l'état fermée. Un registre ou une vanne en position ouverte est représenté par un rectangle vide. Le mélange air/fumée dans le comburant est dosé à partir d'analyses d'oxygène réalisées par des analyseurs d'oxygène (20, 20') soutirant du comburant aux conduits (19, 19') d'amené du comburant des régénérateurs au four. On a représenté ici deux analyseurs d'oxygène, mais un seul suffit s'il est relié alternativement à l'un ou à l'autre des conduits (19) ou (19'). Lorsque les briques réfractaires dans le régénérateur 3 sont suffisamment chaudes, le fonctionnement du four est inversé et la flamme part alors du régénérateur 3 pour aller vers le régénérateur 3' dans lequel la chaleur des fumées est récupérée. Le four fonctionne de manière similaire à ce qui vient d'être décrit, la position des vannes et registres étant inversée : les vannes 16 et 11 et le registre 9 sont fermés et les vannes 17 et 18 et le registre 13 sont ouverts. REVENDICATIONS1. Four comprenant une paire de brûleurs munis chacun d'un régénérateur (3, 3'), lesdits brûleurs fonctionnant en inversion, chaque brûleur en phase d'émission de flamme étant alimenté par un comburant passant par son régénérateur (3, 3') dit en phase d'émission de comburant, ainsi que par un combustible, ledit four comprenant un circuit d'évacuation (7, 8) des fumées sortant des régénérateurs, un circuit d'alimentation en comburant des régénérateurs, ledit circuit comprenant une alimentation en air (3), un moyen d'extraction (14) d'une fraction de la fumée sortant du régénérateur dit en phase de réception de fumée, un moyen de mélange de ladite fraction de fumée avec l'air destiné au brûleur en phase d'émission de flamme pour former le comburant dudit brûleur. 2. Four selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les conduits (12, 15) recevant les fumées sortant des régénérateurs alimentent en fumée un carneau central (7) alimentant lui-même une cheminée (8) , le moyen d'extraction (14) extrayant la fraction de fumée au niveau du carneau central. 3. Four selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque conduit (12, 15) situé entre un régénérateur (3, 3') et le carneau central (7) est muni d'un registre d'inversion (9, 13) obstruant ledit conduit lorsque ledit régénérateur est en phase d'émission de comburant. 4. Four selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la partie du conduit (12, 15) situé entre un registre d'inversion (9, 13) et un régénérateur (3, 3') en phase d'émission de comburant reçoit la fraction de fumée et l'alimentation en air, cette dernière étant située plus près du registre d'inversion que l'arrivée de la fraction de fumée. 5. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'analyse du taux d'oxygène dans le comburant et un régulateur du mélange air/fumée en fonction du taux d'oxygène mesuré par le dispositif d'analyse du taux d'oxygène dans le comburant. 6. Four selon la revendication précédente caractérisé en ce que le taux d'oxygène dans le comburant est mesuré par prélèvement de comburant dans le conduit menant le comburant du régénérateur au four. 7. Four selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est un four à boucle ou un four à brûleurs transversaux. 8. Four selon la revendication précédente, caractérisé comprend de une à dix paires de brûleurs munis régénérateur (3, 3'). 9. Procédé de chauffage de verre fondu caractérisé en ce que le verre fondu est chauffé dans le four de l'une des revendications de four précédentes. 10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le comburant alimentant les brûleurs est un mélange d'air et de fumée comprenant 2 à 30% en masse de fumée. 11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le comburant alimentant les brûleurs est un mélange d'air et de fumée comprenant 5 à 15% en masse de fumée. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes de procédé, caractérisé en ce que le comburant comprend entre 15 et 20,5 % en volume d'oxygène. en ce qu'il chacun d'un