Brevet FR3037131A1 — publié le 20161209

Il est connu d'améliorer le bilan énergétique et économique d'une installation de combustion et plus particulièrement d'un four industriel en préchauffant au moins un réactif de combustion en amont de la chambre de combustion au moyen des fumées chaudes évacuées de la chambre. Selon une technologie avantageuse, décrite dans US-A-6071116, les fumées sont évacuées de la chambre de combustion au moyen d'un circuit d'évacuation de fumées comportant un ou des échangeurs de chaleur primaires dans le(s)quel(s) on chauffe un fluide caloporteur, tels que de l'air, du CO2, de l'azote ou de la vapeur par échange thermique avec les fumées chaudes évacuées. Le fluide caloporteur ainsi chauffé est ensuite dirigé vers un ou plusieurs dispositifs de récupération de chaleur secondaires dans lesquels on chauffe au moins un réactif de combustion, c'est-à-dire du combustible et/ou du comburant (=oxydant de combustion) au moyen du fluide caloporteur chaud. Selon US-A-607116, les échangeurs de chaleur primaires peuvent être des récupérateurs céramiques ou métalliques. Les dispositifs de récupération de chaleur secondaires peuvent être des récupérateurs céramiques ou métalliques ou encore des régénérateurs fonctionnant en alternance. Des problèmes d'encombrement, d'accessibilité et de sécurité dans des installations de combustion industrielles limitent fortement la taille des équipements d'échanges de chaleur. Ainsi, à l'exception des hauts fourneaux et des fours de fusion de verre à air fonctionnant en alternance, il n'est le plus souvent pas possible d'utiliser des paires de régénérateurs fonctionnant en alternance, et ceci en particulier dans le cas d'un système tel que décrit dans US-A-607116 avec deux dispositifs d'échange de chaleur en série. Quand le ou les échangeurs de chaleur primaires et les dispositifs de 30 récupération de chaleur secondaires sont du type récupérateur (céramique ou métallique), les restrictions de taille susmentionnées, mais également de coûts de fabrication, font que : - la température du fluide caloporteur chauffé à la sortie de l'échangeur de chaleur primaire est, pour un échangeur de chaleur donné, fonction du débit 3037131 2 et de la température des fumées chaudes à l'entrée de l'échangeur primaire et du débit et de la température du fluide caloporteur à l'entrée de l'échangeur primaire, et - la température du réactif de combustion à la sortie du dispositif de 5 récupération de chaleur secondaire est fonction du débit et de la température du fluide caloporteur à l'entrée du dispositif secondaire et du débit et de la température du réactif de combustion à l'entrée dudit dispositif secondaire. Pour une efficacité optimale du procédé, on cherche à chauffer le réactif de combustion au maximum sans toutefois surchauffer le réactif. En effet, en ce 10 qui concerne le comburant, et en particulier dans le cas d'un comburant riche en oxygène, on veillera à rester en dessous de la température à laquelle peut être initiée la combustion de l'alliage métallique en contact avec l'oxygène. En ce qui concerne le combustible, on veillera à rester en dessous de la température à laquelle le combustible se dégrade, par exemple par craquage. 15 La température des fumées évacuées et le débit du ou des réactifs de combustion préchauffés vers la chambre étant déterminés par le procédé / les conditions à l'intérieur de la chambre, le réglage de la température de préchauffage du ou des réactifs de combustion est assez complexe. Etant donné les problèmes de régulation de température exposés ci- 20 dessus, on conçoit et utilise en pratique un système de préchauffage par récupération de chaleur dans lequel la température de préchauffage du réactif de combustion reste nettement en dessous de la température limite pour ce réactif, et ceci avec une marge de sécurité importante. Ces technologies connues n'exploitent donc pas au maximum les 25 avantages potentiels du préchauffage de réactifs de combustion. La présente invention a pour but de fournir une méthode qui permet, dans une installation de combustion industrielle telle qu'une installation de fusion de verre, une régulation fiable et plus aisée de la température de préchauffage du réactif de combustion. De cette manière, elle permet également de réduire la marge de sécurité vis-à-vis de la température limite du réactif et ainsi également une amélioration plus importante du bilan énergétique du procédé global. 3037131 3 La présente invention concerne un procédé de combustion d'un combustible avec un comburant dans une chambre de combustion, appelée ci-après la « chambre ». Cette combustion génère des fumées qui sont évacuées de la chambre. 5 Un gaz caloporteur est chauffé par échange thermique avec les fumées évacuées dans un échangeur de chaleur primaire, dit « échangeur primaire », de manière à obtenir un gaz caloporteur chauffé à une température T1, ladite température T1 étant supérieure ou égale à une première température cible Tc1. 10 Une première partie du gaz caloporteur chauffé ainsi obtenu est transportée de l'échangeur primaire vers un premier récupérateur de chaleur secondaire, dit « premier récupérateur secondaire », ledit premier récupérateur secondaire étant de type récupérateur à plaques et ondes. Cette première partie de gaz caloporteur chauffé est introduite dans le 15 premier récupérateur secondaire à la première température cible de Tc1 pour le préchauffage, dans ce premier récupérateur secondaire, d'un premier réactif à une température entre Tc1-50°C et Tc1 par échange thermique avec cette première partie de gaz caloporteur chauffé. Le premier réactif préchauffé ainsi obtenu est introduit en tant que réactif 20 de combustion dans la chambre, le premier réactif étant choisi parmi les combustibles gazeux et les comburants gazeux riches en oxygène. Sauf indication contraire explicite, le terme « échangeur » signifie « échangeur de chaleur », le terme « récupérateur » signifie « récupérateur de chaleur » et le terme « réactif » signifie « réactif de combustion ». 25 Dans le contexte de la présente invention, on comprend par « échange de chaleur » ou « échange thermique » entre deux fluides le transfert d'énergie thermique d'un des deux fluides vers l'autre des deux fluides à travers une paroi et sans contact direct ou mélange entre les deux fluides. De manière analogue, on comprend par « échangeur de chaleur » ou 30 « échangeur » un équipement pour l'échange de chaleur entre deux fluides, équipement dans lequel les deux fluides circulent dans deux circuits distincts sans contact direct ou mélange entre les deux fluides et dans lequel de l'énergie thermique est transférée d'un des deux fluides vers l'autre des deux fluides à travers une ou des parois séparant les deux circuits. 303 7 1 3 1 4 On comprend par « récupérateur de chaleur » ou « récupérateur » un échangeur à contre-courant. Le terme « préchauffage » signifie le chauffage d'un produit, et en particulier d'un combustible ou d'un comburant, avant son introduction dans la 5 chambre de combustion. L'introduction d'un réactif de combustion dans une chambre de combustion est généralement réalisée au moyen d'un brûleur ou d'une lance d'injection ou une combinaison des deux. Un « récupérateur à plaques et ondes », en anglais « plate-fin 10 recuperator », est un récupérateur connu par l'homme du métier dans lequel les circuits des fluides sont formés par des tôles ondulées séparées par des plaques de séparation. On comprend par « comburant riche en oxygène » ou « comburant riche » un comburant ayant une teneur en oxygène supérieure à la teneur en oxygène 15 de l'air. Le comburant riche présente typiquement une teneur en oxygène entre 30% vol et 100% vol de préférence supérieure ou égale à 50% vol. Les comburants riches préférés contiennent au moins 90% vol d'oxygène, de préférence au moins 95% vol et encore de préférence au moins 98% vol. Le combustible gazeux est avantageusement choisi parmi le méthane, le 20 propane, le buthane, le gaz naturel, le gaz de schiste, le syngaz et le naphtha vaporisé. Le syngaz est un gaz de synthèse produit par thermochimie et constitué principalement d'hydrogène (H2) et monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2). Deux dispositifs ou éléments sont « fluidiquement reliés » quand ils sont 25 reliés, typiquement par une canalisation, de manière à permettre l'écoulement d'un fluide d'un des deux dispositifs ou éléments vers l'autre des deux dispositifs ou éléments. Grace à l'utilisation, suivant la présente invention, d'un récupérateur à plaques et ondes pour le préchauffage du réactif de combustion, il est possible 30 d'assurer que l'écart entre la température de préchauffage du réactif de combustion et la première température cible Tc1 n'est jamais supérieure à 50°C, même au débit maximal dudit réactif de combustion requis par le procédé à l'intérieur de la chambre de combustion, et ceci avec un dispositif de récupération de chaleur secondaire d'une taille nettement inférieure aux 3037131 5 dispositifs de récupération de chaleur de même puissance habituellement utilisés pour le préchauffage de réactifs de combustion par échange de chaleur avec un fluide. Par une sélection appropriée de la surface d'échange du récupérateur secondaire, il est également possible d'assurer que l'écart entre la 5 température de préchauffage du réactif de combustion et la première température cible ne dépasse jamais 30°C, de préférence 20°C, voire sous 10°C. Un autre avantage lié à l'utilisation de récupérateurs secondaires à plaques et ondes est que, par rapport aux échangeurs de chaleur couramment utilisés pour le préchauffage de réactifs de combustion, ils nécessitent un débit 10 relativement faible de fluide caloporteur chaud. On note également que l'utilisation de récupérateurs secondaires à plaques et ondes permet un fonctionnement de l'échangeur primaire à plus basse température pour une même température de préchauffage du réactif de combustion. Ceci permet d'augmenter la durée de vie de l'échangeur primaire, 15 voire d'utiliser un échangeur primaire moins coûteux. L'opérateur de la chambre de combustion choisira avantageusement pour son installation un écart entre la température de préchauffage minimale (température du réactif préchauffé) et la température cible Tc1, de manière à ce qu'une variation de la température de préchauffage entre Tc1 et la température 20 de préchauffage minimale n'ait qu'un impact négligeable sur les conditions opératoires du procédé ou sur le procédé à l'intérieur de la chambre de combustion. Etant donné qu'avec le récupérateur à plaques et ondes secondaires, la température de préchauffage ne dépassera jamais la température cible Tc1, il 25 est possible de choisir comme température du gaz caloporteur à l'entrée du récupérateur secondaire, une température de préchauffage maximale prédéterminée du réactif de combustion, déterminée en particulier sur la base des critères cités ci-dessus. Suivant une forme de réalisation avantageuse de l'invention, on détecte 30 lors du transport de la première partie du gaz caloporteur chauffé de l'échangeur primaire vers le premier récupérateur secondaire la température de la première partie de gaz caloporteur chauffé. Lorsque la température détectée est supérieure à la première température cible Tc1, on refroidit la première partie du gaz caloporteur jusqu'à la première température cible Tc1 avant son 3037131 6 introduction dans le premier récupérateur secondaire. Dans ce cas, on refroidit avantageusement la première partie du gaz caloporteur chauffé en la mélangeant avec du gaz caloporteur non-chauffé. Quand le premier récupérateur secondaire est le seul récupérateur 5 secondaire auquel du gaz caloporteur chauffé dans l'échangeur primaire est fourni, la première partie du gaz caloporteur chauffé fournie au premier récupérateur secondaire peut être la totalité du gaz caloporteur chauffé. Suivant une autre forme de réalisation du procédé suivant l'invention, une deuxième partie du gaz caloporteur chauffé dans l'échangeur primaire est 10 transportée vers un deuxième récupérateur secondaire également à plaques et ondes. Ladite deuxième partie du gaz caloporteur chauffé est introduite dans le deuxième récupérateur secondaire à une deuxième température cible Tc2 qui est inférieure ou égale à la première température cible Tcl . Dans le deuxième récupérateur secondaire, on préchauffe un deuxième 15 réactif par échange thermique avec cette deuxième partie de gaz caloporteur chauffé et ceci à une température de préchauffage entre Tc2-50°C et Tc2. Le deuxième réactif est également choisi entre les combustibles gazeux et les comburants riches gazeux. Le deuxième réactif ainsi préchauffé dans le deuxième récupérateur secondaire est fourni à la chambre comme réactif de 20 combustion. Ainsi, le premier récupérateur secondaire peut être utilisé pour le préchauffage d'un réactif gazeux choisi parmi un combustible et un comburant riche, tandis que le deuxième récupérateur secondaire est utilisé pour le préchauffage de l'autre de ces deux réactifs. Quand Tcl # Tc2, c'est-à-dire 25 quand Tc2 REVENDICATIONS1. Procédé de combustion d'un combustible avec un comburant ayant une teneur en oxygène supérieure à celle de l'air dans une chambre (100), comportant les étapes suivantes : a) évacuation de la chambre (100) des fumées (200) générées par la combustion ; b) chauffe d'un gaz caloporteur (300) par échange thermique avec les fumées évacuées (200) dans un échangeur de chaleur primaire (203) de manière à obtenir un gaz caloporteur chauffé (301) à une température T1 supérieure ou égale à une première température cible Tc1 ; c) transport d'une première partie (304) du gaz caloporteur chauffé obtenu dans l'étape b) de l'échangeur de chaleur primaire (203) vers un premier récupérateur secondaire (400) de type échangeur à plaques et ondes ; d) introduction de la première partie (304) de gaz caloporteur chauffé dans le premier récupérateur secondaire (400) à la première température cible Tc1 et préchauffage d'un premier réactif gazeux (401) dans le premier récupérateur secondaire (400) à une température entre Tc1-50°C et Tc1, de préférence entre Tc1-30°C et Tc1, par échange thermique avec la première partie de gaz caloporteur chauffé (304), le premier réactif (401) étant choisi entre un combustible gazeux et un comburant gazeux riche en oxygène ; et e) introduction du premier réactif préchauffé (402) obtenu dans l'étape d) 25 dans la chambre (100) comme réactif de combustion. 2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel on détecte, dans l'étape c) la température de la première partie (304) du gaz caloporteur chauffé et, lorsque la température détectée est supérieure à Tc1, on refroidit la 30 première partie du gaz caloporteur chauffé (304) jusqu'à la température Tc1. 3. Procédé suivant l'une quelconques des revendications précédentes, comportant également les étapes suivantes : 3037131 19 a) transport d'une deuxième partie (305) du gaz caloporteur chauffé obtenu dans l'étape b) vers un deuxième récupérateur secondaire (500) à plaques et ondes, b) introduction de la deuxième partie (305) du gaz caloporteur chauffé à 5 une deuxième température cible Tc2 Tc1 dans le deuxième récupérateur secondaire (500) et préchauffage d'un deuxième réactif (501) à une température entre Tc2-50°C et Tc2, de préférence entre Tc2-30°C et Tc2, dans le deuxième récupérateur secondaire (500) par échange thermique avec la deuxième partie (305) de gaz caloporteur chauffé, le deuxième réactif (501) 10 étant choisi entre un combustible gazeux et un comburant gazeux, c) Introduction du deuxième réactif préchauffé (502) obtenu dans l'étape f) dans la chambre (100) comme réactif de combustion. 4. Procédé suivant la revendication 3 dans lequel, lorsque le premier 15 réactif (401) est un combustible gazeux, le deuxième réactif (501) est un comburant gazeux et quand le premier réactif (401) est un comburant gazeux, le deuxième réactif (501) est un combustible gazeux. 5. Procédé suivant une des revendications 3 et 4, dans lequel Tc2 6. Procédé suivant la revendication 5 dans lequel on détecte, pendant l'étape f) la température de la deuxième partie (305) du gaz caloporteur chauffé en amont du deuxième récupérateur secondaire (500) et, quand la température détectée est supérieure à Tc2, on refroidit la deuxième partie (305) du gaz caloporteur chauffé jusqu'à la température Tc2. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le gaz caloporteur est choisi parmi l'air, l'azote, le CO2, la vapeur, de préférence de l'air. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la chambre de combustion est choisie parmi les chambres de fusion ou de fusion-affinage, les chambres de chaudières, les chambres d'un four de réchauffage, les chambres d'un four de grillage, les chambres d'un four 3037131 20 de calcination ou les chambres d'un four de combustion de déchets. 9. Installation comprenant : 5 une chambre de combustion (100), un échangeur de chaleur primaire (203), - un premier récupérateur secondaire (400) de type échangeur à plaques et ondes, - un circuit d'écoulement de fumées (200) reliant fluidiquement dans 10 l'ordre donné : une sortie de fumées de la chambre de combustion (100), une entrée de fumées de l'échangeur de chaleur primaire (203) et une sortie de fumées de l'échangeur de chaleur primaire (203), un circuit d'écoulement d'un gaz caloporteur (300) reliant fluidiquement dans l'ordre donné : une entrée de gaz caloporteur de 15 l'échangeur de chaleur primaire (203), une sortie de gaz caloporteur de l'échangeur de chaleur primaire (203), une entrée de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire (400) et une sortie de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire (400), un circuit d'écoulement d'un premier réactif gazeux (401) reliant 20 fluidiquement dans l'ordre donné : une entrée de premier réactif du premier récupérateur secondaire (400), une sortie de réactif du premier récupérateur secondaire (400) et une entrée de premier réactif gazeux de la chambre de combustion (100). 25 10. Installation suivant la revendication 9, dans laquelle le circuit d'écoulement d'un premier réactif gazeux (401) relie l'entrée de réactif du premier récupérateur secondaire (400) à une source d'un réactif gazeux (401) choisi parmi un combustible gazeux et un comburant gazeux ayant une teneur en oxygène supérieure à celle de l'air. 30 11. Installation suivant l'une des revendications 9 et 10, dans laquelle le circuit d'écoulement de gaz caloporteur comporte également : 3037131 21 - un premier détecteur (601) pour la détection de la température du gaz caloporteur entre la sortie de gaz caloporteur de l'échangeur de chaleur primaire (203) ; - un premier équipement de refroidissement (602, 603) pour le 5 refroidissement du gaz caloporteur entre la sortie de gaz caloporteur de récupérateur secondaire et l'entrée de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire ; et - un premier contrôleur (600) permettant l'activation du premier équipement de refroidissement (602, 603) en fonction de la température 10 détectée par le premier détecteur (601), le premier contrôleur (600) étant programmé pour activer le premier équipement de refroidissement (602, 603) quand la température détectée par le premier détecteur (601) est supérieure à une première température cible Tc1 15 12. Installation suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11 comportant également un deuxième récupérateur secondaire (500) et un circuit d'écoulement d'un deuxième réactif gazeux (501) et dans laquelle : - le circuit d'écoulement du gaz caloporteur relie également fluidiquement, dans l'ordre donné : la sortie de gaz caloporteur de l'échangeur 20 de chaleur primaire (203), une entrée et une sortie de gaz caloporteur du deuxième récupérateur secondaire (500) ; et - le circuit d'écoulement d'un deuxième réactif gazeux relie fluidiquement dans l'ordre donné : une entrée de réactif gazeux du deuxième récupérateur secondaire (500), une sortie de réactif gazeux du deuxième 25 récupérateur secondaire (500) et une entrée de deuxième réactif gazeux de la chambre de combustion (100). 13. Installation suivant la revendication 12, dans laquelle le circuit d'écoulement de gaz caloporteur comporte également : 30 - un deuxième détecteur (701) pour la détection de la température du gaz caloporteur entre l'entrée de gaz caloporteur du premier récupérateur secondaire (400) et l'entrée de gaz caloporteur du deuxième récupérateur secondaire (500) ; 3037131 22 - un deuxième équipement de refroidissement (703) pour le refroidissement du gaz caloporteur en amont de l'entrée de gaz caloporteur du deuxième récupérateur secondaire (500) ; et - un deuxième contrôleur (700) permettant l'activation du premier 5 équipement de refroidissement (703) en fonction de la température détectée par le deuxième détecteur (701), le deuxième contrôleur (700) étant programmé pour activer le deuxième équipement de refroidissement (703) quand la température détectée par le deuxième détecteur (701) est supérieure à une deuxième température cible Tc2 14. Installation suivant la revendication 13, dans laquelle le circuit d'écoulement d'un deuxième réactif gazeux relie l'entrée de réactif gazeux du deuxième récupérateur à une source d'un réactif gazeux de combustion choisi entre un combustible gazeux et un comburant gazeux. 15