EP3084298A1 - Procede et bruleur pour reduire l'emission d'oxyde d'azote lors de la combustion d'un combustible gazeux - Google Patents

Procede et bruleur pour reduire l'emission d'oxyde d'azote lors de la combustion d'un combustible gazeux

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EP3084298A1
EP3084298A1 EP14833213.3A EP14833213A EP3084298A1 EP 3084298 A1 EP3084298 A1 EP 3084298A1 EP 14833213 A EP14833213 A EP 14833213A EP 3084298 A1 EP3084298 A1 EP 3084298A1
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EP
European Patent Office
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burner
combustion
dilution
products
gaseous fuel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14833213.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Patrice Sedmak
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Fives Stein SA
Original Assignee
Fives Stein SA
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F23D2203/101—Flame diffusing means characterised by surface shape
    • F23D2203/1012—Flame diffusing means characterised by surface shape tubular

Definitions

  • the invention is mainly applicable to radiant tube burners for atmospheric reheating furnaces, for example for the coating and / or continuous annealing of metal strips or the heating of products, for example steel, for example.
  • the invention makes it possible to obtain particularly low NOx nitrogen oxide levels by implementing two successive stages of recirculation while maintaining a good energy efficiency, whatever the temperature level of the enclosure in which takes place the combustion.
  • the burners for reheating ovens for example iron and steel, have been modified iteratively to allow compliance with regulations or standards for the emission of pollutants, in particular nitrogen oxides NOx.
  • Dilution provides a satisfactory solution to the reduction of NOx.
  • this dilution constituted by the flammability limit of the mixture and the appearance of instability of the flame.
  • the proposed invention provides a solution to these problems of flammability and flame stability for large dilution values, which allows to achieve particularly low values of NOx emitted by the furnaces that are equipped with this type of burners.
  • a radiant tube 1 is installed in the enclosure of an oven 2 equipped with side walls 4, a tubular heat recuperator 6 installed in a recuperator body 5 or on a branch 12b of the radiant tube and a burner 10. installed on the branch 12a of the radiant tube.
  • the fumes 3 from the combustion pass through the radiant tube up to the exit, on the exchanger side, where a part 8 of these fumes is directed towards the evacuation of the furnace, for example a chimney (not shown), and a part 9 of the fumes is channeled towards the burner 10 in order to mix with the combustion air 7 previously heated in the recuperator 6.
  • the preheated combustion air 7 mixes initially with the fumes 9 and then with the gas from the rod 1 1 to produce a flame in the branch of the radiant tube 12a. It is also possible to consider all the solutions making it possible to channel a portion of the fumes before or after the energy recovery devices such as 6 to dilute them with the combustion air 7 or before entering the burner 10, for example by mixing the flow rates 7 and 9 upstream of the burner 10, either directly at the burner nose in the zone where combustion of the fuel 1 1 takes place with the oxidant 7.
  • This dilution of the combustion air with fumes makes it possible to increase the volume in which the combustion develops, to control the oxygen content in the reaction zone, and thus to reduce the temperature of said combustion, which reduces the NOx emitted by this combustion.
  • FIG. 2 shows this type of installation where the burner 15 produces a flame 13 which generates a recirculation of the combustion gases present in the chamber along the paths 14 and 16 for diluting the flame by increasing its volume and thus reducing the average temperature of flame which has the effect of reducing the production of thermal NOx.
  • the volumes of flue gases recirculated in the reaction zone between the fuel and the oxidant can range, for example, from 20% of the volume of oxidant (generally 100% or even more than 100%. It is understood that this recirculation significantly increases the volume of the reactive zone, which reduces its average temperature and thus the level of NOx emitted.
  • the transition to combustion mode with high dilution is not systematic and the burner can continue to operate in its undiluted mode. that is to say to operate by producing a lot of NOx which is contrary to what one wishes to obtain.
  • the invention proposes to provide a solution to this problem by authorizing dilution rates of the combustion air by a large amount of fumes in order to obtain a pollutant emission rate, in particular NOx, highly Low, this at all operating speeds of the oven and at all operating temperatures of the furnace, including low temperatures lower than or equal to the auto-ignition temperature of the fuel, without impairing the stability of the flame.
  • a method for reducing the emission of nitrogen oxides NOx during the combustion of a gaseous fuel in a burner for a reheat furnace in an open fire or atmosphere, for the heating steel products or for continuously coating and / or annealing metal strips whereby a first dilution is carried out by mixing of combustion air with combustion products upstream of the burner or in the burner body, is characterized in that a second dilution is carried out by mixing the gaseous fuel with a part of the recirculated flame or products of the partial combustion, this second dilution having a thermal energy supply at the meeting point of the gaseous fuel with the part of the recirculated flame or the products of the partial combustion, this double dilution resulting in the modification of the physical and chemical characteristics of the gaseous fuel for stable operation of the burner.
  • a process according to which a first dilution is carried out by mixing the combustion air with combustion products upstream of the burner or in the burner body is characterized in that a second dilution is carried out by mixing the fuel with a part of the recirculated flame or the products of partial combustion, this double dilution resulting in the modification of the physical and chemical characteristics of the gas for a stable operation of the burner, in particular with a strongly diluted oxidant having an oxygen level of 10% by volume in order to reduce the production NOx, for example for a natural gas up to values close to 100 mg / Nm 3 @ 3% O2, this for all the operating temperatures of the enclosure in which the combustion develops.
  • the second dilution is carried out by injecting at least two substantially parallel gaseous fuel jets, spaced apart from each other, capable of causing a depression in an area between the jets, resulting in a circulation of partial combustion products in this zone, and ensures the mixing of the gaseous fuel with a recirculated part of the flame or the products of the partial combustion.
  • the gaseous fuel jets are distributed in a closed contour, in particular in a ring, and the vacuum zone is located inside the closed contour, in particular of the crown, causing a circulation of the partial combustion products in this zone.
  • the gaseous fuel jets can be distributed in a circular ring whose diameter is between 80 and 120 mm.
  • the initial speed of the gaseous fuel jets is at least equal to 120 m / sec for a natural gas to establish a sufficient flame recirculation to obtain a stable flame.
  • the mixture of combustion air and combustion products, in particular fumes, can be distributed in an annular zone surrounding the gaseous fuel jets.
  • the second dilution is carried out at the nose of the burner by recirculation of products from the reactive zone of the flame, in particular with free radicals, used to initiate thermochemical reactions in the fuel.
  • the oxygen content of the mixture of combustion air with products of combustion, resulting from the first dilution may be less than 15% by volume, in particular close to 10%.
  • the invention also relates to a gaseous fuel burner for a reheat furnace or atmosphere, for the heating of steel products or for the coating and / or continuous annealing of metal strips, characterized in that it is intended to ensure a double dilution, a first dilution being obtained by mixing a combustion air with combustion products produced upstream of the burner or in the burner body, the second dilution being obtained by operating a mixture of the fuel gas with a recirculated part of the flame or products of the partial combustion, this second dilution having a supply of thermal energy at the meeting point of the gaseous fuel with the part of the recirculated flame or the products of the partial combustion, this double dilution resulting in the modification of the physical and chemical characteristics of the gaseous fuel to allow a stable storage of the burner.
  • the gaseous fuel burner intended for a reheating furnace for open fire or in an atmosphere, for reheating steel products or for continuously coating and / or annealing metal strips, especially steel belts is characterized in that it is intended to ensure a double dilution, a first dilution being obtained by mixing the combustion air with combustion products produced upstream of the burner or in the body of the burner, the second dilution being obtained by operating a mixture of the fuel with a recirculated portion of the flame, this double dilution resulting in the modification of the physical and chemical characteristics of the gas to allow the stable operation of the burner, particularly with a highly diluted oxidant having an oxygen content of 10% by volume in order to reduce the production of NOx, this for all operating temperatures of the enclosure in which the combustion develops.
  • the burner comprises, for carrying out the second dilution, at least two injection orifices of substantially parallel gaseous fuel jets, spaced apart from each other, capable of causing a depression in an area located between the jets.
  • the burner may be arranged in a pipe for mixing combustion air and products of combustion, in particular fumes, which is distributed in an annular zone surrounding the part of the burner provided with orifices for jets of gaseous fuel.
  • the burner may comprise a burner nose composed of a cylindrical part in which is fixed, perpendicular to the geometric axis of the cylindrical part and set back from the plane of opening of the cylindrical part, a disc pierced with a plurality of orifices whose axes are substantially parallel to the axis of the cylindrical portion, and located on a diameter close to the outer diameter of the disc, and a tube of diameter smaller than that of the cylindrical portion is fixed coaxial with this part, one of its ends being located inside said portion while leaving a distance between this end and the front face of the disc, the other end of the tube being located outside the cylindrical portion.
  • the burner may be provided so that the mixture of combustion air and smoke is distributed around the cylindrical portion, and the gas jets from the ring of orifices cause a vacuum inside the tube which allows a return flame towards the burner. Depression is used to re-aspirate products at the root of the flame to mix with the fuel.
  • the fuel inlet may comprise a tubular portion of small diameter, for example DN 20 for a natural gas, followed by a cone connected to the cylindrical portion.
  • the burner may comprise a stack of tubes and a ring of holes in a distribution plate to produce a zone of depression in the starting zone of the oxidation of the fuel by the oxidizer.
  • Fig. 1 is a diagram of a radiant tube with burner according to the state of the art.
  • Fig. 2 is a diagram of an installation with burner, according to the state of the art.
  • Fig. 3 is a schematic vertical section of a burner according to the invention.
  • FIG. 3 shows schematically the burner 10 'and the first branch of the radiant tube 12a, as shown in FIG. 1.
  • the fuel inlet 22 is composed of a tubular portion 23, for example of diameter DN 20 for a natural gas, of a cone 24, followed by a cylindrical portion 26. Inside the cylindrical portion 26 is fixed a disc 25 orthogonal to the geometric axis of the part 26, in particular welded inside said tube, so that there is a distance ⁇ 1, for example between 30 and 60 mm for the natural gas, between the front face of this disc and the plane of the opening of the tube 26.
  • the disc 25 is pierced with a plurality of orifices 19 for fuel injection, the axes of which are substantially parallel to the axis of the tube 26 and located on a smaller diameter, in particular 10 mm, to the outer diameter of the disc.
  • a tube 27 is welded in the axis of the tube 26, one of its ends being located inside the tube 26 while leaving a distance ⁇ 2, in particular between 5 and 30 mm for a natural gas, between this end and the front face of the disk 25.
  • the tube 27 extends over a distance ⁇ 3, in particular between 100 and 250 mm, beyond the end of the tube 26.
  • the mixture of the combustion air and smoke is distributed, in the duct 12a, along an annular zone 20, around the cylinder 26 and the gas jets 18 coming from the 19.
  • High speed gas injections 18, greater than 120 m / sec in natural gas cause a depression in the tube 27, which causes a suction of the combustion products along the schematic path 28 in the tube 27 from the zone B, located in the vicinity of the end of the tube 27 remote from the disc 25, to a zone C located between the end of the tube 27 near the disc 25 and the disc.
  • Zone B is located in the reaction zone of the fuel and the oxidant, that is to say in a zone of flame at very high temperature, in particular greater than 1500 ° K and in an area where the development of combustion produces a large amount of partially oxidized and reactive chemical species including free radicals present in a plasma-like state of these combustion products. It may also be noted that, contrary to what occurs when a recirculation of flue gases is conventionally implemented, for which the increase in recirculation degrades the stability of the flame, the implementation of the fuel dilution at nose of the burner as presented by the invention in the presence of a low oxygen oxidant, in particular 10% by volume, widens the range of stability of the flame.
  • the energy provided by this recirculation 28 of gas at a very high temperature at the meeting point D with the fuel modifies its physico-chemical characteristics, in particular partially realizes the partial thermal cracking of the fuel which ensures the development of the combustion in zone A , around the tube 27. This is achieved despite the low oxygen concentration present in the mixture of fumes and air 20.
  • the ignition and stabilization of the reaction zone can be achieved even with of very low oxygen by a local supply of thermal energy and the modification of the thermochemical properties of the fuel, which makes it possible to push back the flammability limits of the air / fuel gas mixture, in particular at an oxygen level of 10% in volume.
  • the reactions involved may be, for example, of the type:
  • the implementation of the recirculation of the products of combustion at the nose of the burner as presented by the invention in the presence of a mixture of air and fumes with a low oxygen content, in particular 10% in volume increases the stability of the flame by facilitating combustion, or ignition of the fuel.
  • this burner is based on a double dilution, the first being obtained by mixing the combustion air with combustion products upstream of the reaction zone, the second being obtained directly at the zone level. reaction by diluting the fuel with the reagents of the flame at high temperature directly to the burner nose.
  • This second "dilution" is particular because it does not have the simple effect of diluting the gases, but also, by the contribution of thermal energy higher than the auto-ignition temperature, it contributes to the modification of thermochemical properties of the fuel gas via complex phenomena comparable to pyrolysis.
  • the mixture of combustible gas and incomplete combustion products reacts to produce hydrogen in particular, thereby modifying the thermochemical properties of the gas.

Landscapes

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Abstract

Procédé de réduction de l'émission d'oxydes d'azote NOx lors de la combustion d'un combustible gazeux dans un brûleur (10') 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 (7) avec des produits de combustion (9) en amont du brûleur ou dans le corps du brûleur; une deuxième dilution est réalisée directement au niveau (A) où se produit la réaction du combustible gazeux avec l'air de combustion, en opérant un mélange du combustible avec une partie recirculée de la flamme ou les produits de la combustion partielle, cette double dilution permettant la modification des caractéristiques physiques et chimiques du gaz pour le fonctionnement du brûleur avec des taux d'oxygène faibles afin d'obtenir une flamme produisant un très bas niveau de production de NOx quelle que soit la température de l'enceinte dans laquelle se développe la combustion.

Description

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 œuvre 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 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 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 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 . 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 1 1 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 1 1 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'auto- entretenir 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 œuvre 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, il est proposé un 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, procédé selon lequel une première dilution est réalisée par mélange d'un 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 gazeux avec une partie de la flamme recirculée ou des produits de la combustion partielle, cette deuxième dilution présentant un apport d'énergie thermique au point de rencontre du combustible gazeux avec la partie de la flamme recirculée ou les produits de la combustion partielle, cette double dilution entraînant la modification des caractéristiques physiques et chimiques du combustible gazeux pour un fonctionnement stable du brûleur.
De préférence, 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 O2, 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, caractérisé en ce qu'il est prévu pour assurer une double dilution, une première dilution étant obtenue par mélange d'un 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 gazeux avec une partie recirculée de la flamme ou des produits de la combustion partielle, cette deuxième dilution présentant un apport d'énergie thermique au point de rencontre du combustible gazeux avec la partie de la flamme recirculée ou les produits de la combustion partielle, cette double dilution entraînant la modification des caractéristiques physiques et chimiques du combustible gazeux pour permettre un fonctionnement stable du brûleur.
De préférence, le 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, est 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 ladite 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 Δ1 , 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 Δ2, 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 Δ3, 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 œuvre classiquement une recirculation de fumées, pour laquelle l'augmentation de la recirculation dégrade la stabilité de la flamme, la mise en œuvre 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 + H2O = 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 œuvre 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 œuvre 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 amont 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.

Claims

REVENDICATIONS
1 . 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.
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 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 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.
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.
1 1 . 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.
12. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 9 à 1 1 , 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 1 2, 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 ladite 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.
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