Brevet FR3074262A1 — publié le 20190531

- BRULEUR COMPRENANT UNE PIECE D'USURE La présente invention concerne un brûleur pour four verrier, une installation intégrant un tel brûleur, et l'utilisation d'une telle installation pour la fusion d'une composition de matières vitrifiables. Sont plus particulièrement visées les installations de formage de verre plat comme les installations float ou de laminage, mais aussi les installations de formage de verre creux du type bouteille, flacon, et plus particulièrement les installations de formage de fibres de verre du type laine minérale d'isolation thermique ou phonique ou encore de fils de verre textile dits de renforcement. Dans le présent texte, les termes « matières vitrifiables» et « matières premières » visent à englober les matières nécessaires à l'obtention d'une matrice vitreuse (ou céramique ou vitrocéramique), tels que le sable silicique, la roche, les laitiers de hauts fourneaux, mais également tous les additifs (additifs d'affinage), les déchets de déconstruction (incluant des fibres minérales), tous les combustibles liquides ou solides éventuels (plastique de matériau composite ou non, matières organiques, charbons), et tout type de calcin. Pour liquéfier les matières vitrifiables, la solution la plus simple consiste à utiliser des brûleurs alimentés en air froid. Toutefois, pour augmenter les performances du four en capacité de fusion et en rendement thermique, il est souhaitable de disposer d'une température de flamme la plus élevée possible. Les deux techniques les plus utilisées pour ce faire consistent soit à préchauffer de l'air de combustion en utilisant la chaleur sensible contenue dans les fumées en sortie de four, via des régénérateurs en matériaux réfractaires ou des échangeurs métalliques air/fumée (appelés récupérateurs dans l'industrie verrière), soit à utiliser de l'oxygène et/ou de l'air suroxygéné comme comburants. La présente invention couvre l'ensemble de ces brûleurs et en particulier les brûleurs utilisant de l'oxygène, qui sont soumis à une corrosion accrue du fait de leur température de fonctionnement plus élevée, et de la présence dans les fumées de fortes concentrations en soude. De manière connue, les brûleurs peuvent soit être agencés au-dessus de la surface du verre en fusion, par exemple au niveau des piédroits, des pignons ou de la voûte, soit être agencés en dessous du niveau du verre liquide, par exemple dans la sole du four. On - 2 - parle alors de « brûleurs immergés ». Un brûleur peut comprendre un ou plusieurs injecteurs, agencés en ligne ou en anneau. Un brûleur comprend classiquement en partie inférieure un réseau de distribution de gaz de combustion, relié en partie supérieure à un injecteur. 5 Dans le présent texte, le référentiel arbitrairement choisi pour décrire l'invention a en partie supérieure l'intérieur du four et en partie inférieure l'extérieur. L'expression visent quant à eux à décrire l'agencement de la platine, qui recouvre le bloc injecteur et le protège au moins temporairement des phénomènes d'érosion par le verre 20 liquide et/ou d'oxydation par les flammes et/ou les fumées de combustion, qui prennent place à l'intérieur du four. L'invention repose sur un concept nouveau et inventif consistant à fournir un brûleur dans lequel le bloc injecteur et la platine sont deux pièces distinctes fixées de manière amovible entre elles. 25 Lors de la maintenance du brûleur, il est ainsi possible de ne remplacer que la pièce défectueuse, l'autre pièce étant quant à elle réutilisable. En général, cette pièce premièrement défectueuse est la platine puisque c'est elle qui est en contact direct avec le verre liquide, et qui en subit donc la corrosion. Or, le bloc injecteur est significativement plus complexe à produire que la platine, au regard notamment du soin 30 apporté à l'usinage du réseau de distribution de gaz de combustion. Le bloc injecteur d'un brûleur selon l'invention présente donc une durée de vie significativement accrue. La production du bloc injecteur et de la platine est également rendue plus aisée, ces deux - 4 - pièces étant produites distinctement et potentiellement, via des procédés différents adaptés aux spécificités techniques de chacune de ces pièces. En d'autres termes, un brûleur selon l'invention présente une meilleure efficacité opérationnelle. Selon un mode de réalisation particulière, ledit bloc injecteur et ladite platine sont 5 composés de matériaux différents. Un préjugé technique existant s'oppose à la mise en oeuvre de pièces composées de matériaux de nature différente, compte tenu des difficultés rencontrées au moment de souder ces pièces entre elles. La mise en oeuvre d'une fixation amovible entre le bloc injecteur et la platine permet de surmonter ce préjugé technique, le problème 10 d'incompatibilité des matériaux ne se posant plus dans ce cas de figure. Il est ainsi possible de mettre en oeuvre des matériaux différents, qui sont adaptés aux besoins et conditions opérationnelles spécifiques à chacune de ces pièces. Ainsi, la platine présente en général une géométrie peu complexe, mais est en revanche soumise à des conditions opérationnelles extrêmes, tel que décrit ci-dessus. Le bloc injecteur demeure quant à lui 15 en zone froide. Sa fabrication requiert en revanche une grande précision pour le dimensionnement du réseau de distribution de gaz et des injecteurs. Le choix du matériau peut également se fonder sur le comportement sous contrainte thermique attendu pour chacune de ces pièces. A titre d'exemple, nous pourrons utiliser des alliages métalliques ou des 20 céramiques. Selon un mode de réalisation particulier, ledit brûleur est de type immergé. Les brûleurs immergés sont particulièrement exposés aux dégradations liées à l'érosion par le verre liquide et l'oxydation par les flammes. Les caractéristiques avantageuses de l'invention ont par conséquent un impact d'autant plus significatif sur 25 ces brûleurs. Ainsi, leur maintenance est rendue moins complexe et plus économique tandis que la durée de vie de leur bloc injecteur est considérablement accrue. Selon un mode de réalisation particulier, ledit au moins un injecteur s'étend au moins en partie dans ledit orifice d'injection. La bonne distribution des gazs injectés dans le four par les brûleurs constitue une 30 problématique d'importance. De manière connue, la satisfaction de ce critère dépend notamment de la forme et des dimensions du ou des conduits empruntés par les gazs de combustion avant de pénétrer dans la chambre de fusion. Au regard de cette - 5 - problématique, le sens commun veut que le caractère monobloc du brûleur soit conservé. En effet, la dissociation de la platine et du bloc injecteur augmente les risques de voir ces deux pièces distinctes du brûleur se mouvoir l'une par rapport à l'autre sous l'effet de la chaleur. Lors du fonctionnement du four et à coefficient de dilation égal, la platine en 5 contact verre et/ou flamme aurait ainsi tendance à se dilater davantage que le bloc injecteur, localisé en zone froide. Un tel déplacement relatif de ces deux composantes pourrait notamment modifier la forme du/des conduit(s) d'injection et impacter négativement la bonne distribution des gazs de combustion à injecter dans le four. En dépit de ce préjugé technique existant, la mise en oeuvre d'un brûleur selon 10 l'invention, dans lequel l'injecteur s'étend au moins en partie dans l'orifice d'injection permet d'obtenir et de conserver un alignement satisfaisant de l'injecteur avec l'orifice d'injection de la platine, tout en autorisant l'adoption de tolérances plus élevées au cours de la réalisation de l'injecteur et/ou de l'orifice d'injection. En d'autres termes, le contrôle de l'injection des gazs de combustion au sein du four est rendu plus aisé. 15 Selon un mode de réalisation particulier, ledit au moins un injecteur forme un bossage au-dessus de la surface de la platine. La mise en oeuvre d'un tel bossage permet un contrôle optimal des paramètres intervenant dans le mélange et la distribution des gazs de combustion. En effet, l'ensemble des pièces intervenant dans la distribution, l'injection et la combustion des 20 gazs dans le four font partie intégrante du bloc injecteur. La flamme produite par la combustion de ces gazs est par conséquent mieux contrôlée. En dépit des préjugés techniques existant vis-à-vis de la vulnérabilité du bossage au contact du verre liquide, il a de façon étonnante été observé que ce dernier reste préservé des dégradations par érosion/oxydation pouvant survenir sur la surface de la 25 platine. A ce titre, l'injecteur et son bossage demeurent des zones froides même lorsque l'installation est en cours de fonctionnement, d'une part du fait du refroidissement opéré par les gazs de combustion lorsque ces derniers sont injectés à froid dans le four, et d'autre part du fait de la faible exposition du pied de flamme au verre liquide et/ou aux gazs issus de la combustion. 30 Selon un mode de réalisation particulier, ladite platine est fixée sur le bloc injecteur au moyen : - d'un assemblage vis-boulon sacrificiel et/ou - 6 - - d'un assemblage vis-taraud et/ou - d'un rivet et/ou - d'une goupille. Le moyen de fixation amovible peut ainsi être de type sacrificiel, ou non. 5 Selon un mode de réalisation particulier, ladite platine est formée d'au moins deux pièces distinctes l'une de l'autre : - une plaque sensiblement plane définissant un périmètre autour du ou des injecteurs, et - des flancs périphériques massifs ascendants depuis ladite plaque. 10 Ces deux parties de la platine remplissent des fonctions différentes. Ainsi, les flancs périphériques permettent de garantir la stabilité des flammes dans le flux de verre en les protégeant de l'écrasement et du soufflage, tandis que la plaque vise davantage à protéger le bloc injecteur tout en permettant une bonne distribution des gazs de combustion. 15 En complément, les exigences techniques se rapportant à chacune de ces parties diffèrent sensiblement. Ainsi, les flancs périphériques seront davantage exposés à la corrosion du verre liquide et/ou des gazs que la platine. En revanche, celle-ci sera davantage exposée aux risques d'oxydation, compte tenu de son positionnement à proximité immédiate de la flamme. 20 Un brûleur selon cette caractéristique particulière offre donc la possibilité de remplacer indépendant chacune de ces parties de la platine, limitant ainsi les coûts de maintenance tout en augmentant la durée de vie globale de la platine. De telles parties prises séparément sont également moins complexes à usiner, et offrent la possibilité au moment de la conception de la platine de choisir différents matériaux pour chacune de 25 ces parties, au regard de critères tels que la résistance à la corrosion et/ou à l'oxydation, la capacité thermique, le coefficient de dilatation thermique, le coût massique. Selon un mode de réalisation particulier, les flancs périphériques sont fixés de manière amovible à la surface supérieure du bloc injecteur, et en ce que ladite plaque est encastrée entre les flancs périphériques et la surface supérieure du bloc injecteur. 30 La fixation par encastrement de la plaque aux flancs périphériques de la platine et à la surface supérieure du bloc injecteur permet de faciliter le démontage et la maintenance de cette plaque. - 7 - Selon un mode de réalisation particulier, ladite platine, et préférentiellement ladite plaque, comprend des dents qui font saillie sur sa face supérieure. Ces dents permettent notamment de stabiliser la couche de verre solidifiée 5 amenées à se former à la surface du brûleur, à proximité directe des injecteurs et donc de la flamme. Selon un mode de réalisation particulier, ledit brûleur comprend une couche de pâte thermique à l'interface entre le bloc injecteur et la platine. Cette pâte thermique peut par exemple être à base de silicone, de céramique 10 et/ou de particules métalliques. Il est ainsi possible d'accroître le transfert thermique entre ces deux parties, en particulier dans l'optique d'un refroidissement de la platine à partir du bloc injecteur. Selon un mode de réalisation particulier, chaque injecteur comprend une chambre de mélange en forme de cylindre, avec un orifice d'éjection, une conduite d'alimentation 15 en combustible et une conduite d'alimentation en comburant débouchant dans la chambre de mélange au niveau de l'enveloppe du cylindre selon une direction provoquant un écoulement tangentiel du combustible et du comburant par rapport à l'enveloppe du cylindre. La direction d'injection des gaz (combustible/comburant) dans la chambre de 20 mélange a une grande importance. Il a en effet été constaté qu'il était préférable d'éviter une injection selon une direction radiale qui aboutissait à de fortes turbulences à l'intérieur de la chambre de mélange et à une instabilité de la flamme. C'est la raison pour laquelle l'injection du carburant et du comburant doit se faire selon une direction tangentielle, l'écoulement tangentiel du mélange gazeux créant un vortex régulier. 25 Selon un mode de réalisation particulier, ledit bloc injecteur comprend un système de refroidissement comprenant préférentiellement un réseau de conduites adapté pour la circulation à l'intérieur du brûleur d'un fluide de refroidissement. L'invention concerne aussi un procédé de montage/démontage d'un brûleur tel que celui décrit ci-dessus. 30 L'invention concerne de plus une installation de fusion d'une composition de matières vitrifiables, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une chambre de fusion - 8 - équipée d'au moins un brûleur tel que celui décrit ci-dessus, préférentiellement de type immergé. Les avantages techniques conférés par un brûleur selon l'invention, tels qu'ils sont décrits dans le présent texte, se rapportent également à une installation de fusion de 5 matières vitrifiables intégrant un tel brûleur. La mise ne oeuvre d'un tel brûleur permet notamment d'améliorer la productivité de l'installation, l'occurrence des arrêts du four pour remplacement du brûleur étant significativement réduite. L'invention se rapporte également à l'utilisation d'une installation telle que celle décrite ci-dessus pour la fusion d'une composition de matières vitrifiables. 10 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention sont décrits dans la suite du texte, au regard des dessins sur lesquels : - La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un brûleur de type immergé selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; 15 - La figure 2 est une vue schématique en éclatée d'un brûleur tel que celui représenté par la figure 1; - La figure 3 est une vue en perspective d'un brûleur de type immergé comprenant un injecteur annulaire, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; - La figure 4 est un schéma représentant une installation de fusion de matières 20 vitrifiables selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Les numéros de référence qui sont identiques sur les différentes figures représentent des éléments similaires ou identiques. L'invention se rapporte à un brûleur 1 pour une installation 20 de fusion de matières vitrifiables. Ce brûleur 1 comprend un bloc injecteur 2 comprenant un réseau de 25 distribution 3 de gaz de combustion et au moins un injecteur 4. Un tel brûleur 1 comprend de plus une platine 5 en contact verre et/ou flamme, qui recouvre le bloc injecteur 2 et est dotée d'au moins un orifice d'injection 6 en communication fluidique avec l'injecteur 4. En particulier, la platine 5 est fixée de manière amovible sur le bloc injecteur 2. 30 Le bloc injecteur 2 d'un brûleur 1 selon l'invention présente une durée de vie significativement accrue. En outre, la production du bloc injecteur 2 et de la platine 5 est - 9 - rendue plus aisée, ces deux pièces étant produites distinctement et potentiellement, en des matériaux différents et/ou via des procédés différents. La figure 1 représente schématiquement une coupe transversale d'un brûleur 1 de type immergé, selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Selon un mode de 5 réalisation alternatif, le brûleur 1 peut également être de type émergé. A noter cependant qu'un brûleur 1 de type immergé bénéficie tout particulièrement des avantages techniques conférés par l'invention, du fait de son exposition prolongée aux phénomènes d'érosion par le verre liquide et d'oxydation par les flammes. Ce brûleur 1 comprend un bloc injecteur 2 en partie inférieure ainsi qu'une platine 10 5 en partie supérieure, qui recouvre le bloc injecteur 2. En ce qui concerne le bloc injecteur 2, le plan de coupe de la figure 1 passe par un injecteur 4 comportant une chambre de mélange 10 cylindrique débouchant sur un orifice d'éjection 11 coaxial de l'orifice d'injection 6 de la platine 5. Dans la chambre de mélange 10 débouchent une conduite d'alimentation en comburant 13, située dans le 15 plan de coupe, et une conduite d'alimentation en combustible 12 située en dehors du plan de coupe. Les conduites d'alimentation en combustible 12 et en comburant 13 relient la chambre de mélange respectivement à une conduite d'arrivée de combustible 121 et une conduite d'arrivé de comburant 131, situées dans la partie inférieure du bloc injecteur 2. Des conduites 9 permettent de faire circuler un liquide de refroidissement à 20 l'intérieur du brûleur 1 et parcourent celui-ci sur presque toute sa longueur. Le bloc injecteur 2 est composé d'acier inoxydable. Selon des modes de réalisations alternatifs, le bloc injecteur 2 est formé d'un autre matériau connu convenant à cette application industrielle. Tel qu'illustré par les figures 1 et 2, et selon le mode de réalisation ci-dessous 25 décrit, la platine 5 est composée de l'assemblage d'une plaque 7 horizontale, destinée à être agencée au voisinage des orifices d'injection 6, avec des flancs latéraux massifs 8 qui s'étendent en forme d'escalier ou de gradins, à partir des extrémités de la plaque 7. Cette plaque 7 comprend en outre des dents 14 qui font saillie sur sa face supérieure. Ces dents 14 servent principalement à stabiliser la couche de verre solidifié formée à la surface du 30 brûleur à proximité directe des injecteurs 11 et donc de la flamme produite. - 10 - Il est à noter que selon un mode de réalisation alternatif, la platine 5 est monobloc. De ce fait, elle présente l'inconvénient d'être plus complexe à fabriquer/entretenir. Pour en revenir au bloc injecteur 2, ce dernier comprend une pluralité de bossages 5 adaptés pour former saillie sur la plaque 7, au travers des orifices d'injection 6. La mise en oeuvre de tels bossages permet la conservation d'un alignement satisfaisant des orifices d'injection 6 de la platine 5 avec leur injecteur 4 respectif, et un contrôle optimal des paramètres intervenant dans le mélange et la distribution des gazs de combustion. La flamme résultant de la combustion de ces gazs est par conséquent mieux contrôlée. 10 Tel que déjà indiqué dans le texte et illustré, la platine 5 est fixée de manière amovible au bloc injecteur 2. Cette fixation est assurée par un assemblage de vis 15 et de tarauds correspondants. La plaque 7 est quant à elle fixée par encastrement entre la surface supérieure du bloc injecteur 2 et la partie inférieure des flancs latéraux massifs 8. Selon des modes de réalisation alternatifs, cette plaque 7 est directement fixée au bloc 15 injecteur 2 par tout type de moyen de fixation amovible connu. Par ailleurs, la plaque 7 peut également être fixée directement aux flancs latéraux 8 par tout type de fixation connu, qu'il soit amovible ou non. Selon d'autres modes de réalisations alternatifs, la fixation amovible des flancs latéraux 8 au bloc injecteur 2 peut être réalisée au moyen d'un assemblage de type vis- 20 boulon ou de tout autre moyen de fixation amovible connu, qu'il implique ou non la destruction au moment du désassemblage des moyens de fixation. A noter que peu importe le moyen de fixation choisi, l'intégrité du bloc injecteur 4 et de la platine 5 reste préservée après assemblage/désassemblage. Selon un mode de réalisation alternatif, et tel que représenté par la figure 3, le 25 brûleur comprend un injecteur 4 de type annulaire formant saillie sur une paroi 21a de la chambre de fusion 21. La paroi 21a traversée par l'injecteur 4 est alternativement la sole de la chambre de fusion ou l'une de ses parois latérales. L'injecteur 4, de forme cylindrique, est recouvert d'une platine 5 également cylindrique, à laquelle il est fixé de manière amovible au moyen de deux vis 15. Selon cette configuration, l'orifice d'injection 30 6 de la platine 5 est positionné dans le prolongement de l'orifice d'éjection 11 de l'injecteur 4. - 11 - Selon un mode de réalisation particulier, l'invention concerne un procédé de montage/démontage d'un brûleur 1 tel que décrit dans le présent texte, le procédé d'assemblage comprenant les étapes suivantes : - L'apposition de la plaque 7 sur la surface supérieure du bloc injecteur 2, 5 - L'apposition des flancs latéraux 8 sur le pourtour de la plaque 7, et - La solidarisation réversible des flancs latéraux 8 au bloc injecteur 2 au moyen de vis 15 coopérant avec des tarauds correspondant. Le procédé de désassemblage consiste à réaliser ces étapes successives dans l'ordre inverse. 10 Selon un mode de réalisation particulier, et tel qu'illustré par la figure 4, l'invention se rapporte à une installation 20 de fusion de matières vitrifiables comprenant une chambre de fusion 21. Les matières vitrifiables sont introduites dans la chambre de fusion 1 par une enfourneuse 22. La chambre de fusion 21 comporte au niveau de la sole des brûleurs immergés 1 tels que celui décrit ci-dessus. Le niveau du bain de verre 23 est 15 déterminé par la position d'un déversoir 24 par lequel s'écoule le verre liquide obtenu. La chambre de fusion 21 comporte des parois métalliques parcourues par un système de conduites internes 9 dans lesquelles circule un liquide de refroidissement. Le refroidissement actif des parois se traduit par la formation d'une couche de verre solidifié 25 qui isole les parois métalliques du bain de verre. 20 Selon un mode de réalisation particulier, l'invention se rapporte à l'utilisation d'une telle installation pour la fusion d'une composition de matières vitrifiables, en particulier pour le formage de verre creux du type bouteille, flacon, de fibres de verre du type laine minérale d'isolation REVENDICATIONS1. Brûleur (1) pour installation (20) de fusion de matières vitrifiables, comprenant : - un bloc injecteur (2) comprenant un réseau de distribution (3) de gazs de combustion et au moins un injecteur (4), et - une platine (5) en contact verre et/ou flamme qui recouvre ledit bloc injecteur (2) et comprend au moins un orifice d'injection (6) en communication fluidique avec ledit injecteur (4), ledit brûleur (1) étant caractérisé en ce que la platine (5) est fixée de manière amovible sur le bloc injecteur (2). 2. Brûleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bloc injecteur (2) et ladite platine (5) sont composés de matériaux différents. 3. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est de type immergé. 4. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit au moins un injecteur (4) s'étend au moins en partie dans ledit orifice d'injection (6). 5. Brûleur (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit au moins un injecteur (4) forme un bossage au-dessus de la surface de la platine (5). 6. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite platine (5) est fixée sur le bloc injecteur (2) au moyen : - d'un assemblage vis-boulon sacrificiel et/ou - d'un assemblage vis-taraud et/ou - d'un rivet et/ou - d'une goupille. 7. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite platine (5) est formée d'au moins deux pièces distinctes l'une de l'autre : - 13 - - une plaque (7) sensiblement plane définissant un périmètre autour du ou des injecteurs (4), et - des flancs périphériques (8) massifs ascendant depuis ladite plaque (7). 8. Brûleur (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que les flancs périphériques (8) sont fixés de manière amovible à la surface supérieure du bloc injecteur, et en ce que ladite plaque (7) est encastrée entre les flancs périphériques (8) et la surface supérieure du bloc injecteur (2). 9. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite platine (5), et préférentiellement ladite plaque (7), comprend des dents qui font saillie sur sa face supérieure. 10. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une couche de pâte thermique à l'interface entre le bloc injecteur (2) et la platine (5). 11. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque injecteur comprend une chambre de mélange (10) en forme de cylindre, avec un orifice d'éjection (11), une conduite d'alimentation en combustible (12) et une conduite d'alimentation en comburant (13) débouchant dans la chambre de mélange au niveau de l'enveloppe du cylindre selon une direction provoquant un écoulement tangentiel du combustible et du comburant par rapport à l'enveloppe du cylindre. 12. Brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit bloc injecteur comprend un système de refroidissement comprenant préférentiellement un réseau de conduites adapté pour la circulation à l'intérieur du brûleur d'un fluide de refroidissement. 13. Procédé de montage/démontage d'un brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 12. - 14 - 14. Installation (20) de fusion d'une composition de matières vitrifiables, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une chambre de fusion (21) équipée d'au moins un brûleur (1) selon l'une des revendications 1 à 12, préférentiellement de type immergé. 15. Utilisation d'une installation (20) selon la revendication 14 pour la fusion d'une composition de matières vitrifiables.