Brevet FR3015009A1 — publié le 20150619

PROCEDE ET BRULEUR POUR REDUIRE L'EMISSION D'OXYDES D'AZOTE LORS DE LA COMBUSTION D'UN COMBUSTIBLE GAZEUX. L'invention s'applique principalement aux brûleurs de tube radiants destinés aux fours de réchauffage sous atmosphère, par exemple pour le revêtement et/ou recuit en continu de bandes métalliques ou le chauffage à feu nu de produits, par exemple sidérurgiques. L'invention permet d'obtenir des niveaux d'oxydes d'azote NOx particulièrement bas par la mise en oeuvre de deux étages successifs de recirculation tout en conservant une bonne efficacité énergétique, ceci quel que soit le niveau de température de l'enceinte dans laquelle se déroule la combustion. Les brûleurs destinés au réchauffage de fours, par exemple de sidérurgie, ont été modifiés de façon itérative afin de permettre le respect des réglementations ou normes successives en matière d'émission de polluants, en particulier les oxydes 20 d'azote NOx. Un grand nombre des brûleurs suivant l'état de l'art utilisent la dilution pour réduire le niveau des NOx émis, l'air de combustion ou la flamme étant dilués par des produits de combustion pour développer cette flamme dans un volume plus 25 important, donc réduire sa température moyenne et ainsi limiter les NOx produits. La dilution apporte une solution satisfaisante à la réduction des NOx. Cependant il existe une limite à cette dilution constituée par la limite d'inflammabilité du mélange et l'apparition d'instabilité de la flamme. L'invention proposée apporte une solution à 30 ces problèmes d'inflammabilité et de stabilité de flamme pour des valeurs importantes de dilution, ce qui permet d'atteindre des valeurs particulièrement basses de NOx émis par les fours qui sont équipés de ce type de brûleurs. L'état de l'art pour les tubes radiants est présenté à titre d'exemple sur la Figure 1. 35 Un tube radiant 1 est installé dans l'enceinte d'un four 2 équipé de parois latérales 4, d'un récupérateur de chaleur tubulaire 6 installé dans un corps de récupérateur 5 ou sur une branche 12b du tube radiant et d'un brûleur 10 installé sur la branche 12a du tube radiant. Les fumées 3 issues de la combustion traversent le tube radiant jusqu'en sortie, côté échangeur, où une partie 8 de ces fumées est orientée vers l'évacuation du four, par exemple une cheminée (non représentée), et une partie 9 des fumées est canalisée vers le brûleur 10 afin de s'y mélanger à l'air de combustion 7 préalablement réchauffé dans le récupérateur 6. L'air de combustion préchauffé 7 se mélange dans un premier temps avec les fumées 9 puis avec le gaz issu de la canne 11 pour produire une flamme dans la branche du tube radiant 12a. On peut également considérer toutes les solutions permettant de canaliser une partie des fumées avant ou après les dispositifs de récupération d'énergie tels que 6 pour les diluer avec l'air de combustion 7 soit avant l'entrée dans le brûleur 10, par exemple par mélange des débits 7 et 9 en amont du brûleur 10, soit directement au nez du brûleur dans la zone où s'effectue la combustion du combustible 11 avec le comburant 7. Cette dilution de l'air de combustion avec des fumées permet d'augmenter le volume dans lequel se développe la combustion, de contrôler le taux d'oxygène dans la zone de réaction, et ainsi réduire la température de ladite combustion, ce qui réduit les NOx émis par cette combustion. On connaît suivant l'état de l'art des installations où cette dilution du volume dans lequel s'effectue la combustion est réalisée directement par les jets de combustible et de comburant injectés dans le volume de l'enceinte où se produit la combustion, qui induisent cette recirculation de produits de combustion ainsi mélangés aux gaz réactifs. La Figure 2 présente ce type d'installation où le brûleur 15 produit une flamme 13 qui génère une recirculation des gaz de combustion présents dans l'enceinte suivant les trajets 14 et 16 pour diluer la flamme en augmentant son volume et ainsi réduire la température moyenne de flamme qui a pour conséquence de réduire la production de NOx thermiques. Suivant l'état de l'art, les volumes de fumées recirculées dans la zone de réaction entre le combustible et le comburant suivant les principes exposés par les Figures 1 et 2 peuvent aller, par exemple, de 20 % du volume de comburant (généralement de l'air) à 100 %, voire plus de 100 %. On comprend que cette recirculation augmente de façon importante le volume de la zone réactive, ce qui réduit sa température moyenne et ainsi le niveau de NOx émis. On comprend que la dilution de l'air de combustion réduit le pourcentage d'oxygène au niveau de la zone de réaction du combustible avec le comburant, ce qui génère des problèmes d'allumage et d'instabilité de la flamme. Il existe une limite de recirculation au-delà de laquelle il est difficile d'allumer le brûleur, à chaud ou à froid, et de produire une flamme stable et contrôlée, la combustion ne peut s'autoentretenir et la flamme s'étouffe par manque d'oxygène. Cette limite d'inflammabilité du mélange et de stabilité de flamme, qui dépend du pourcentage d'oxygène dans le comburant et de la température de l'enceinte du four, constitue actuellement un obstacle pour la réduction des NOx grâce à cette technologie de dilution. Pour résoudre ce problème d'allumage et d'instabilité, suivant l'état de l'art, il est souvent proposé de démarrer le brûleur selon un mode ne mettant pas en oeuvre la dilution et dans lequel le pourcentage d'oxygène dans la zone de réaction et la température sont suffisants pour produire une flamme stable. Ce mode peut être obtenu par exemple en alimentant le brûleur avec des pressions de combustible et/ou de comburant réduites par rapport à son fonctionnement normal. Dans ces conditions, le niveau de NOx est très élevé. Quand l'enceinte atteint une température suffisante, par exemple supérieure à la température d'auto-inflammation, un mode de combustion avec une forte dilution peut être établi, par exemple en augmentant les pressions d'alimentation de l'air et/ou du gaz propices à l'obtention d'un niveau de NOx réduit. Pour les températures de four faibles, par exemple proches de la température d'auto-inflammation du gaz, le passage en mode de combustion avec forte dilution n'est pas systématique et le brûleur peut continuer à fonctionner selon son mode sans dilution, c'est-à-dire à fonctionner en produisant beaucoup de NOx ce qui est contraire à ce que l'on souhaite obtenir. L'invention se propose d'apporter une solution à ce problème en autorisant des taux de dilution de l'air de combustion par une quantité importante de fumées en vue d'obtenir un taux d'émission de polluants, en particulier les NOx, très bas, ceci à tous les régimes de fonctionnement du four et à toutes les températures de fonctionnement du four, y compris les basses températures inférieures ou égales à la température d'auto-inflammation du combustible, sans nuire à la stabilité de la flamme. Selon l'invention, le procédé de réduction de l'émission d'oxydes d'azote NOx lors de la combustion d'un combustible gazeux dans un brûleur destiné à un four de réchauffage à feu nu ou sous atmosphère, pour le réchauffage de produits sidérurgiques ou pour le revêtement et/ou recuit en continu de bandes métalliques, notamment sidérurgiques, procédé selon lequel une première dilution est réalisée par mélange de l'air de combustion avec des produits de combustion en amont du brûleur ou dans le corps du brûleur, est caractérisé en ce qu'une deuxième dilution est réalisée par mélange du combustible avec une partie de la flamme recirculée ou les produits de la combustion partielle, cette double dilution entraînant la modification des caractéristiques physiques et chimiques du gaz pour un fonctionnement stable du brûleur, en particulier avec un comburant fortement dilué possédant un taux d'oxygène voisin de 10 % en volume dans le but de réduire la production de NOx, par exemple pour un gaz naturel jusqu'à des valeurs voisines de 100 mg/Nm3 @ 3 % de 02, ceci pour toutes les températures de fonctionnement de l'enceinte dans laquelle se développe la combustion. De préférence, la deuxième dilution est réalisée par injection d'au moins deux jets de combustible gazeux sensiblement parallèles, écartés l'un de l'autre, propres à provoquer une dépression dans une zone située entre les jets, ce qui entraîne une circulation de produits de combustion partielle dans cette zone, et assure le mélange du combustible gazeux avec une partie recirculée de la flamme ou les produits de la combustion partielle. De préférence, les jets de combustible gazeux sont répartis suivant un contour fermé, en particulier en couronne, et la zone de dépression est située à l'intérieur du contour fermé, en particulier de la couronne, entraînant une circulation des produits de combustion partielle dans cette zone. Les jets de combustible gazeux peuvent être répartis suivant une couronne circulaire dont le diamètre est compris entre 80 et 120 mm. Avantageusement, la vitesse initiale des jets de combustible gazeux est au moins égale à 120 m/sec pour un gaz naturel pour établir une recirculation de flamme suffisante à l'obtention d'une flamme stable. Le mélange d'air de combustion et de produits de combustion, en particulier des fumées, peut être distribué dans une zone annulaire entourant les jets de combustible gazeux. Avantageusement, la deuxième dilution est réalisée au nez du brûleur par recirculation de produits issus de la zone réactive de la flamme, en particulier avec des radicaux libres, utilisés pour initier des réactions thermochimiques dans le combustible. Le taux d'oxygène du mélange d'air de combustion avec des produits de combustion, issu de la première dilution, peut être inférieur à 15% en volume, en particulier voisin de 10%. L'invention est également relative à un brûleur à combustible gazeux destiné à un four de réchauffage à feu nu ou sous atmosphère, pour le réchauffage de produits sidérurgiques ou pour le revêtement et/ou recuit en continu de bandes métalliques, notamment sidérurgiques, caractérisé en ce qu'il est prévu pour assurer une double dilution, une première dilution étant obtenue par mélange de l'air de combustion avec des produits de combustion réalisé en amont du brûleur ou dans le corps du brûleur, la deuxième dilution étant obtenue en opérant un mélange du combustible avec une partie recirculée de la flamme, cette double dilution entraînant la modification des caractéristiques physiques et chimiques du gaz pour permettre le fonctionnement stable du brûleur en particulier avec un comburant fortement dilué présentant un taux d'oxygène voisin de 10 % en volume dans le but de réduire la production de NOx, ceci pour toutes les températures de fonctionnement de l'enceinte dans laquelle se développe la combustion. Avantageusement, le brûleur comporte, pour réaliser la deuxième dilution, au moins deux orifices d'injection de jets de combustible gazeux sensiblement parallèles, écartés l'un de l'autre, propres à provoquer une dépression dans une zone située entre les jets. Pour les applications de tubes radiants, le brûleur peut être disposé dans une conduite pour le mélange d'air de combustion et de produits de combustion, en particulier des fumées, qui est distribué dans une zone annulaire entourant la partie du brûleur munie des orifices pour les jets de combustible gazeux. Le brûleur peut comporter un nez de brûleur composé d'une partie cylindrique dans laquelle est fixé, perpendiculairement à l'axe géométrique de la partie cylindrique et en retrait du plan d'ouverture de la partie cylindrique, un disque percé d'une pluralité d'orifices dont les axes sont sensiblement parallèles à l'axe de la partie cylindrique, et situés sur un diamètre voisin du diamètre extérieur du disque, et un tube de diamètre inférieur à celui de la partie cylindrique est fixé coaxial à cette partie, une de ses extrémités étant située à l'intérieur de la dite partie tout en laissant une distance entre cette extrémité et la face avant du disque, l'autre extrémité du tube étant située à l'extérieur de la partie cylindrique. Le brûleur peut être prévu pour que le mélange d'air de combustion et de fumées soit distribué autour de la partie cylindrique, et les jets de gaz issus de la couronne d'orifices provoquent une dépression à l'intérieur du tube qui permet un retour de flamme vers le brûleur. La dépression permet de réaspirer des produits à la racine de la flamme pour les mélanger au combustible. L'arrivée de combustible peut comporter une partie tubulaire de petit diamètre, par exemple en DN 20 pour un gaz naturel, suivie d'un cône raccordé à la partie cylindrique. Le brûleur peut comporter un empilage de tubes et d'une couronne de trous dans une plaque de distribution pour produire une zone de dépression dans la zone de démarrage de l'oxydation du combustible par le comburant. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins : Fig. 1 est un schéma d'un tube radiant avec brûleur selon l'état de l'art. Fig. 2 est un schéma d'une installation avec brûleur, selon l'état de l'art. Fig. 3 est une coupe verticale schématique d'un brûleur selon l'invention. La solution de l'invention est illustrée sur Fig. 3 qui présente de façon schématique le brûleur 10' et la première branche du tube radiant 12a, comme montré sur Fig. 1. Sur Fig. 3, on voit l'alimentation 21 correspondant à l'arrivée de fumées recirculées telles que 9 et d'air de combustion 7 préchauffé dans un récupérateur, non représenté sur Fig.3, mais semblable au récupérateur 6 de Fig.1 . Le même résultat peut être obtenu avec une arrivée d'un mélange préétabli de fumées recirculées 9 et d'air de combustion 7. L'arrivée de combustible 22 est composée d'une partie tubulaire 23, par exemple de diamètre DN 20 pour un gaz naturel, d'un cône 24, suivi d'une partie cylindrique 26. A l'intérieur de la partie cylindrique 26 est fixé un disque 25 orthogonal à l'axe géométrique de la partie 26, en particulier soudé à l'intérieur dudit tube, de façon à ce qu'il existe une distance Al , par exemple comprise entre 30 et 60 mm pour le gaz naturel, entre la face avant de ce disque et le plan de l'ouverture du tube 26. Le disque 25 est percé d'une pluralité d'orifices 19, d'injection de combustible, dont les axes sont sensiblement parallèles à l'axe du tube 26 et situés sur un diamètre inférieur, en particulier de 10 mm, au diamètre extérieur du disque. Un tube 27 est soudé dans l'axe du tube 26, une de ses extrémités étant située à l'intérieur du tube 26 tout en laissant une distance 02, en particulier comprise entre 5 et 30 mm pour un gaz naturel, entre cette extrémité et la face avant du disque 25. Le tube 27 s'étend sur une distance 03, en particulier comprise entre 100 et 250 mm, au-delà de l'extrémité du tube 26. Le mélange de l'air de combustion et de fumées est distribué, dans le conduit 12a, selon une zone annulaire 20, autour du cylindre 26 et des jets de gaz 18 issus de la couronne d'orifices 19. Les injections 18 de gaz à grande vitesse, supérieure à 120 m/sec en gaz naturel, provoquent une dépression dans le tube 27, qui entraîne une aspiration des produits de combustion selon le trajet schématisé 28 dans le tube 27 à partir de la zone B, située au voisinage de l'extrémité du tube 27 éloignée du disque 25, vers une zone C située entre l'extrémité du tube 27 proche du disque 25 et le disque. La zone B se trouve dans la zone de réaction du combustible et du comburant, c'est-à-dire dans une zone de flamme à très haute température, notamment supérieure à 1500°K et dans une zone où le développement de la combustion produit une grande quantité d'espèces chimiques partiellement oxydées et réactives dont des radicaux libres présents dans un état de type plasmatique de ces produits de combustion. On peut noter également que, contrairement à ce qui se produit lorsque l'on met en oeuvre classiquement une recirculation de fumées, pour laquelle l'augmentation de la recirculation dégrade la stabilité de la flamme, la mise en oeuvre de la dilution du combustible au nez du brûleur telle que présentée par l'invention en présence d'un comburant à bas taux d'oxygène, en particulier 10 % en volume, élargit le domaine de stabilité de la flamme. L'énergie apportée par cette recirculation 28 de gaz à très haute température au point de rencontre D avec le combustible modifie ses caractéristiques physico-chimiques, en particulier réalise partiellement le craquage thermique partiel du combustible qui assure le développement de la combustion dans la zone A, autour du tube 27. Ceci est obtenu malgré la faible concentration d'oxygène présent dans le mélange de fumées et d'air 20. Par ce moyen, on peut réaliser l'allumage et la stabilisation de la zone de réaction même avec des taux d'oxygène très bas par un apport local d'énergie thermique et la modification des propriétés thermochimiques du combustible, ce qui permet de repousser les limites d'inflammabilité du mélange air/gaz combustible, en particulier à un taux d'oxygène de 10 % en volume. Les réactions mises en jeu peuvent être, par exemple, du type : CH4 + H2O = 3H2 + CO CH4 C 2H2 CO ± H20 = CO2 ± H2 On peut noter sur ces équations la formation d'hydrogène qui va favoriser l'inflammation du combustible malgré une concentration faible en oxygène. Ce dispositif permet de maintenir une flamme stable avec des taux d'oxygène inférieurs à ceux mis en oeuvre selon l'état de l'art et ainsi d'obtenir des niveaux de NOx produits inférieurs à ceux obtenus selon l'état de l'art, ceci quelle que soit la température de l'enceinte dans laquelle se développe la combustion. On peut noter également que la mise en oeuvre de la recirculation des produits de combustion au nez du brûleur telle que présentée par l'invention en présence d'un mélange d'air et de fumées à bas taux d'oxygène, en particulier 10% en volume, augmente la stabilité de la flamme en facilitant la combustion, ou l'inflammation du combustible. On voit que le fonctionnement de ce brûleur repose sur une double dilution, la première étant obtenue par le mélange de l'air de combustion avec des produits de combustion en aval de la zone de réaction, la deuxième étant obtenue directement au niveau de la zone de réaction par la dilution du combustible avec les réactifs de la flamme à haute température directement au nez du brûleur. Cette deuxième « dilution » est particulière car elle n'a pas pour simple effet de diluer les gaz, mais également, de par l'apport d'énergie thermique supérieure à la température d'auto- inflammation, elle contribue à la modification des propriétés thermochimiques du gaz combustible via des phénomènes complexes assimilables à une pyrolyse. Le mélange de gaz combustible et de produits de combustion incomplète réagit pour produire notamment de l'hydrogène, d'où une modification des propriétés thermochimiques du gaz. On comprend que la description de l'invention qui précède a été faite pour une application à un tube radiant mais que les dispositions exposées sont transposables aux brûleurs à feu nu pour lesquels la première dilution est réalisée par le mélange de produits de combustion à l'intérieur du four, selon les trajets 14 et 16 de Fig.2 et que la deuxième dilution peut être réalisée au nez du brûleur avec un dispositif tel que présenté sur Fig. 3.5 REVENDICATIONS1. Procédé de réduction de l'émission d'oxydes d'azote NOx lors de la combustion d'un combustible gazeux dans un brûleur destiné à un four de réchauffage à feu nu ou sous atmosphère, pour le réchauffage de produits sidérurgiques ou pour le revêtement et/ou recuit en continu de bandes métalliques, notamment sidérurgiques, procédé selon lequel une première dilution est réalisée par mélange de l'air de combustion avec des produits de combustion en amont du brûleur ou dans le corps du brûleur, caractérisé en ce qu'une deuxième dilution est réalisée par mélange du combustible avec une partie de la flamme recirculée ou les produits de la combustion partielle, cette double dilution entraînant la modification des caractéristiques physiques et chimiques du gaz pour un fonctionnement stable du brûleur, en particulier avec un comburant fortement dilué possédant un taux d'oxygène voisin de 10 % en volume, dans le but de réduire la production de NOx, ceci pour toutes les températures de fonctionnement de l'enceinte dans laquelle se développe la combustion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième dilution est réalisée par injection d'au moins deux jets de combustible gazeux sensiblement parallèles, écartés l'un de l'autre, propres à provoquer une dépression dans une zone située entre les jets, ce qui entraîne une circulation de produits de combustion partielle dans cette zone, et assure le mélange du combustible gazeux avec une partie recirculée de la flamme ou les produits de la combustion partielle. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les jets de combustible gazeux sont répartis suivant un contour fermé, en particulier en couronne, et la zone de dépression est située à l'intérieur du contour fermé, en particulier de la couronne, entraînant une circulation des produits de combustion partielle dans cette zone. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les jets de combustible gazeux sont répartis suivant une couronne circulaire dont le diamètre est compris entre 80 et 120 mm. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse initiale des jets de combustible gazeux est au moins égale à 120 m/seconde pour le gaz naturel. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange d'air de combustion et de produits de combustion, en particulier des fumées, est distribué dans une zone annulaire entourant les jets de combustible gazeux. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième dilution est réalisée au nez du brûleur par recirculation de produits issus de la zone réactive de la flamme, en particulier avec des radicaux libres, utilisés pour initier des réactions thermochimiques dans le combustible. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le taux d'oxygène du mélange d'air de combustion avec des produits de combustion, issu de la première dilution, est inférieur à 15% en volume, en particulier voisin de 10%, en volume. 15 9. Brûleur à combustible gazeux destiné à un four de réchauffage à feu nu ou sous atmosphère, pour le réchauffage de produits sidérurgiques ou pour le revêtement et/ou recuit en continu de bandes métalliques, notamment sidérurgiques, caractérisé en ce qu'il est prévu pour assurer une double dilution, une première 20 dilution étant obtenue par mélange de l'air de combustion avec des produits de combustion réalisé en amont du brûleur ou dans le corps du brûleur, la deuxième dilution étant obtenue en opérant un mélange du combustible avec une partie recirculée de la flamme ou les produits de la combustion partielle, cette double dilution entraînant la modification des caractéristiques physiques et chimiques du 25 gaz pour permettre un fonctionnement stable du brûleur en particulier avec un comburant fortement dilué possédant un taux d'oxygène voisin de 10 % en volume, dans le but de réduire la production de NOx, ceci pour toutes les températures de fonctionnement de l'enceinte dans laquelle se développe la combustion. 30 10. Brûleur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte, pour réaliser la deuxième dilution, au moins deux orifices d'injection de jets de combustible gazeux sensiblement parallèles, écartés l'un de l'autre, propres à provoquer une dépression dans une zone située entre les jets. 35 11. Brûleur selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que les orifices d'injection de combustible gazeux sont répartis suivant un contour fermé, en particulier en couronne. 10 12. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il est disposé dans une conduite pour le mélange d'air de combustion et de produits de combustion, en particulier des fumées, qui est distribué dans une zone annulaire entourant la partie du brûleur munie des orifices pour les jets de combustible gazeux. 13. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un nez de brûleur composé d'une partie cylindrique dans laquelle est fixé, perpendiculairement à l'axe géométrique de la partie cylindrique et en retrait du plan d'ouverture de la partie cylindrique, un disque (25) percé d'une pluralité d'orifices (19) dont les axes sont sensiblement parallèles à l'axe de la partie cylindrique, et situés sur un diamètre voisin du diamètre extérieur du disque, et en ce qu'un tube (27) de diamètre inférieur à celui de la partie cylindrique est fixé coaxial à cette partie, une de ses extrémités étant située à l'intérieur de la dite partie (26) tout en laissant une distance entre cette extrémité et la face avant du disque (25), l'autre extrémité du tube étant située à l'extérieur de la partie cylindrique. 14. Brûleur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le mélange d'air de combustion et de fumées est distribué autour de la partie cylindrique (26), et les jets de gaz (18) issus de la couronne d'orifices (19) provoquent une dépression à l'intérieur du tube (27), qui permet un retour de flamme vers le brûleur. 15. Brûleur selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que l'arrivée de combustible (22) comporte une partie tubulaire de petit diamètre (23), suivie d'un cône (24) raccordé à la partie cylindrique (26). 16. Brûleur selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il comporte un empilage de tubes (25, 26) et d'une couronne de trous (19) dans une plaque de distribution (25) pour produire une zone de dépression (A) dans la zone de démarrage de l'oxydation du combustible par le comburant.