-
La présente invention concerne un ensemble de combustion et un four équipé d'au moins un tel ensemble de combustion.
-
Dans les procédés thermiques industriels, il est connu de chauffer une charge dans un four au moyen d'une ou plusieurs flammes générées par la combustion d'un combustible avec un comburant.
-
L'intensité, l'orientation, la longueur et la section transversale de la ou des flammes sont généralement adaptées à la charge et à la position de la charge par rapport aux brûleurs générant les flammes.
-
Par exemple, l'orientation et la longueur d'une flamme peuvent être choisies de manière à impacter la charge afin d'améliorer le transfert thermique vers la charge. Quand la charge présente une large surface dirigée vers le brûleur, la largeur et la hauteur de la flamme peuvent être choisies de manière à ce que la charge soit chauffée sur toute cette surface.
-
Toutefois, l'optimisation de certains procédés thermiques industriels nécessite plus de flexibilité, par exemple, quand la distance entre la charge et le brûleur et/ou la hauteur de la charge varient dans le temps pendant l'opération du four.
-
De
US-A-11598522 il est connu, dans un four de fusion rotatif basculant de type "batch", de faire fonctionner un premier brûleur produisant une première flamme à une première puissance et de faire fonctionner un deuxième brûleur produisant une deuxième flamme et monté au-dessus du premier brûleur à une deuxième puissance. Le procédé de fusion connu comprend deux phases. Dans une première phase, la charge solide dans le four fait obstruction à la première flamme. Pendant cette phase, la deuxième puissance est supérieure à la première puissance. Dans une phase ultérieure, la charge est fondue dans une mesure suffisante de manière à ne plus faire obstruction au développement de la première flamme. On régule alors les deux brûleurs de manière à ce que la première puissance, c'est-à-dire la puissance de la première flamme qui se trouve plus proche de la charge, soit supérieure à la deuxième puissance, c'est-à-dire la puissance de la deuxième flamme.
-
Ce procédé permet d'améliorer l'efficacité de la fusion d'un four de fusion rotatif basculant de type "batch" auquel il est limité. Ce qui plus est, son adaptabilité vis-à-vis de la charge reste limitée.
-
La présente invention a pour but de remédier au moins en partie aux inconvénients des procédés connus.
-
Le but de la présente invention inclut plus particulièrement de fournir un ensemble de combustion pour la réalisation fiable d'une combustion adaptable/flexible, voire plus adaptable/flexible, ainsi qu'un four adaptable/flexible muni d'au moins un tel ensemble de combustion.
-
A cette fin, la présente invention propose un ensemble de combustion comportant un bloc réfractaire non-métallique et plusieurs brûleurs.
-
Le bloc réfractaire s'étend sur une hauteur h entre une extrémité inférieure (ou fond) et une extrémité supérieure (ou sommet).
-
Le bloc présente une face d'entrée et une face de sortie à l'opposé de la face d'entrée. La face de sortie et la face d'entrée sont espacées d'une épaisseur ep, dit épaisseur du bloc.
-
Quand le bloc est installé dans un four, la face de sortie est dirigée vers la zone de combustion et constitue donc la face dite "chaude" du bloc, alors que la face d'entrée se trouve à l'extérieur de cette zone de combustion.
-
Sur sa hauteur h, le bloc est réparti en plusieurs étages ou niveaux.
-
Chaque étage étant percé par au moins un passage, c'est-à-dire un ou plusieurs passages, pour l'injection de combustible et/ou de comburant (oxydant de combustion). Chaque passage s'étend de la face d'entrée à la face de sortie et se termine en au moins une ouverture d'injection dans la face de sortie du bloc.
-
Du fait que chaque étage est percé par au moins un passage, chaque étage présente au moins une ouverture d'injection dans la face de sortie du bloc.
-
Le au moins une ouverture d'injection de chaque étage définit sur la face de sortie un rectangle de contact (en anglais "contact rectangle" ou "intouch rectangle"). Deux segments ou côtes du rectangle de contact sont parallèles à la direction de la hauteur h. Les deux autres segments ou côtes sont perpendiculaires à la direction de la hauteur h. Chaque ouverture d'injection de l'étage correspondant est située entièrement à l'intérieur dudit rectangle de contact et chaque segment ou côte du rectangle de contact est en contact avec le contour d'au moins une des au moins une ouverture d'injection de l'étage correspondant.
-
L'ensemble de combustion comporte plusieurs brûleurs à raison d'un brûleur par étage. Le nombre de brûleurs est donc égal au nombre de brûleurs.
-
Chaque brûleur a des injecteurs dont:
- au moins un injecteur pour l'injection d'un combustible et
- au moins un injecteur pour l'injection d'un comburant.
-
Le au moins un injecteur pour l'injection d'un combustible de chaque brûleur est fluidiquement reliée à une entrée de combustible du brûleur et le au moins un injecteur pour l'injection d'un comburant de chaque brûleur est fluidiquement relié à une entrée de comburant du brûleur. Chaque brûleur est monté sur l'étage correspondant du bloc de manière à ce que les injecteurs de combustible et de comburant dudit brûleur sont insérés dans le au moins un passage de l'étage correspondant et ceci de manière à ce que les entrées de combustible et de comburant du brûleur se trouvent du côté de la face d'entrée du bloc.
-
Chaque brûleur est apte à générer des flammes par combustion du combustible avec le comburant en aval de la face de sortie du bloc. Suivant la présente invention, chaque brûleur est apte à générer de telles flammes dont la longueur peut être variée à puissance de flamme constante.
-
Également suivant l'invention, les au moins un passage d'injection des différents étages sont orientés et espacés de manière à ce que quand les brûleurs génèrent des flammes en aval de la face de sortie du bloc par combustion du combustible avec le comburant, les flammes générées par les différents brûleurs sont espacées l'une de l'autre et non-convergentes.
-
En ce qui concerne l'étage contigu à l'extrémité inférieure du bloc, le rectangle de contact défini sur la face de sortie à l'étage contigu à l'extrémité inférieure du bloc présente des segments perpendiculaires à la direction de la hauteur h dont la longueur x est au moins le double de la longueur y des segments parallèles à la direction de la hauteur h.
-
Pour le fonctionnement de l'ensemble de combustion, les entrées de combustible sont reliées à une source de combustible, par exemple un réservoir ou une pipeline de combustible, et les entrées de comburant sont reliées à une source de comburant, par exemple une soufflante d'air, unité de séparation des gaz de l'air, ou un réservoir ou pipeline d'oxygène.
-
Le bloc peut être un parallélépipède rectangle, également appelé "pavé droit". Les passages pour l'injection de combustible et/ou de comburant dans le bloc fixent la direction des flammes générées dans la zone de combustion en aval de la face de sortie du bloc.
-
Suivant l'invention, le rectangle de contact défini sur la face de sortie à l'étage contigu à l'extrémité inférieure du bloc présente des segments perpendiculaires à la direction de la hauteur h dont la longueur x est au moins le double de la longueur y des segments parallèles à la direction de la hauteur h. Toutefois, un ou plusieurs autres étages peuvent également présenter un tel rectangle de contact. Suivant une forme de réalisation, les rectangles de contact de tous les étages présentent des segments perpendiculaires à la direction de la hauteur h dont la longueur x est au moins le double de la longueur y des segments parallèles à la direction de la hauteur h.
-
Un tel rectangle de contact défini sur la face de sortie à l'étage contigu à l'extrémité inférieure du bloc présente des segments perpendiculaires à la direction de la hauteur h dont la longueur x est au moins le double de la longueur y des segments parallèles à la direction de la hauteur h permet notamment de réaliser des flammes dont la section transversale présente une dimension dans la direction perpendiculaire à la direction de la hauteur h plus grande que sa dimension dans la direction de la hauteur h.
-
Suivant une forme de réalisation particulière, l'ensemble présente seulement deux étages et comporte donc seulement deux brûleurs. Dans ce cas, l'un des deux étages est contigu à l'extrémité inférieure du bloc et l'autre des deux étages est contigu à l'extrémité supérieure du bloc. Suivant une autre forme de réalisation utile, l'ensemble présente exactement trois étages et comporte donc trois brûleurs. Dans ce cas, l'un des trois étages est contigu à l'extrémité inférieure du bloc, un autre trois deux étages est contigu à l'extrémité supérieure du bloc et le troisième étage se trouve entre les deux étages susmentionnés.
-
Comme indiqué ci-dessus, les au moins un passage d'injection des différents étages sont orientés et espacés de manière à ce que quand les brûleurs génèrent des flammes en aval de la face de sortie du bloc par combustion du combustible avec le comburant, les flammes générées par les différents brûleurs sont non-convergentes l'une par rapport à l'autre. Suivant une forme de réalisation, les au moins un passage d'injection des différents étages sont orientés et espacés de manière à ce que quand les brûleurs génèrent des flammes par combustion du combustible avec le comburant, au moins deux des flammes générées par les différents brûleurs sont parallèles. Suivant une autre forme de réalisation, les au moins un passage d'injection des différents étages sont orientés et espacés de manière à ce que quand les brûleurs génèrent des flammes par combustion du combustible avec le comburant, au moins deux des flammes générées par les différents brûleurs sont divergentes. Les deux formes de réalisation décrites ci-dessus peuvent également être combinées dans un même ensemble de combustion comportant au moins trois étages. Dans ce cas, les au moins un passage d'injection des différents étages sont orientés et espacés de manière à ce que quand les brûleurs génèrent des flammes par combustion du combustible avec le comburant, au moins deux des flammes générées par les différents brûleurs sont parallèles et au moins deux des flammes générées par les différents brûleurs sont divergentes.
-
Suivant certaines formes de réalisation, l'ensemble des flammes générées sont parallèles l'une par rapport à l'autre ou l'ensemble des flammes générées sont divergentes l'une par rapport à l'autre.
-
Suivant une forme de réalisation avantageuse, les au moins un passage d'injection des différents étages sont positionnés de manière à ce que quand les brûleurs génèrent des flammes en aval de la face de sortie du bloc par combustion du combustible avec le comburant, les flammes générées par les différents brûleurs sont alignées. Ainsi, suivant une forme de réalisation particulièrement préférée, les rectangles de contact définis sur la face de sortie du bloc ont des centres de gravité alignés dans la direction de la hauteur h.
-
Comme déjà mentionné précédemment, chaque brûleur est apte à générer des flammes par combustion du combustible avec le comburant en aval de la surface de sortie du bloc dont la longueur peut être variée à puissance de flamme constante. Ceci permet d'adapter l'intensité et la longueur de la flamme et à la position de la charge par rapport à l'ensemble de combustion et ceci à plusieurs niveaux, chaque niveau correspondant à un étage du bloc et au brûleur correspondant.
-
Des brûleurs aptes à générer des flammes dont la longueur peut être variée à puissance de flamme constante sont connus dans l'état de l'art. On connaît par exemple, des brûleurs permettant de faire varier la longueur de flamme en modifiant la section d'écoulement pour au moins un des réactifs de combustion (combustible et/ou comburant).
-
Il est notamment connu de modifier la section d'écoulement de manière mécanique, comme, par exemple, décrit dans
EP-A-2118565 .
-
Il est également connu de prévoir des injecteurs de sections d'écoulement différentes pour un même réactif de combustion et de faire varier la longueur de flamme en choisissant l'injecteur et donc aussi la section d'écoulement à travers lequel/laquelle le réactif de combustion est injecté dans la zone de combustion.
-
Suivant une forme de réalisation préférée, le brûleur apte à faire varier la longueur de flamme à puissance de flamme constante comporte plusieurs injecteurs pour un même réactif de combustion et un système de réglage permettant de répartir le réactif de combustion à injecter dans la zone de combustion entre lesdits injecteurs. Par exemple, quand un tel brûleur comporte deux injecteurs de comburant, le système de réglage permet de diriger le comburant vers le premier injecteur de comburant, vers le second injecteur de comburant, voire de répartir le comburant entre le premier et le second injecteur de comburant, de préférence à des ratios ajustables. Quand un tel brûleur comporte deux injecteurs de combustible, le système de réglage permet de diriger le combustible vers le premier injecteur de combustible, vers le second injecteur de combustible, voire de répartir le combustible entre le premier et le second injecteur de combustible, de préférence à des ratios ajustables.
-
Les injecteurs de réactifs de combustion du brûleur peuvent, de manière utile, être des injecteurs coaxiaux.
-
De tels brûleurs sont, par exemple, décrits dans le document
US-A-5743723 , dont le contenu est incorporé par référence dans la présente demande de brevet.
-
En équipant un tel brûleur d'injecteurs coaxiaux de section transversale dont la largeur est au moins le double de sa largeur et en montant lesdits injecteurs coaxiaux dans un passage du bloc de forme correspondante avec une ouverture d'injection définissant sur la face de sortie un rectangle de contact dont la longueur x des segments perpendiculaires à la direction de la hauteur h est au moins le double de la longueur y des segments parallèles à la direction de la hauteur h, il est possible d'utiliser le brûleur en tant que tel pour générer une flamme large, c'est à dire une flamme dont la section transversale à une dimension dans la direction perpendiculaire à la direction de la hauteur h qui est plus large que sa dimension dans la direction de la hauteur h, dont la longueur peut être variée à puissance de flamme constante.
-
De tels brûleurs sont également décrits dans le document
WO-A-2010/003866 , dont le contenu est aussi incorporé par référence dans la présente demande de brevet. Les brûleurs décrits dans ce dernier document sont plus particulièrement adaptés pour être installés dans un étage dont le rectangle de contact défini sur la face de sortie à l'étage contigu à l'extrémité inférieure du bloc présente des segments perpendiculaires à la direction de la hauteur h dont la longueur x est au moins le double de la longueur y des segments parallèles à la direction de la hauteur h, comme c'est notamment le cas pour l'étage contigu à l'extrémité inférieure du bloc.
-
Il est également possible de réaliser un rectangle de contact défini sur la face de sortie à l'étage contigu à l'extrémité inférieure du bloc présente des segments perpendiculaires à la direction de la hauteur h dont la longueur x est au moins le double de la longueur y des segments parallèles à la direction de la hauteur h, au moyen d'un brûleur à combustion étagée en étageant l'injection d'au moins un réactif de combustion à travers la face de sortie du bloc dans la direction perpendiculaire à la direction de la hauteur h. Suivant une telle forme de réalisation, le brûleur comporte d'une part un brûleur primaire, apte à générer une flamme primaire, des injecteurs secondaires, par exemple au nombre de deux, pour le réactif de combustion à étager situés de part et autre du brûleur primaire dans la direction perpendiculaire à la direction de la hauteur h et un système de réglage capable de réguler la distribution du réactif à étager entre le brûleur primaire et les injecteurs secondaires. Le brûleur primaire peut, par exemple, être apte à générer une flamme primaire de section transversale en substance circulaire. Le brûleur primaire peut notamment être un brûleur apte à faire varier la longueur de la flamme primaire à puissance de flamme primaire constante, par exemple un brûleur tel que décrit dans
US-A-5743723 .
-
Un avantage d'une telle forme de réalisation est que, en fonction du réglage de la distribution des réactifs de combustion, le brûleur est capable à la fois de générer une flamme large, telle que définie ci-dessus, dont la longueur peut être variée à puissance de flamme constante, ainsi qu'une flamme plus étroite, par exemple à section transversale en substance circulaire, mais dont la longueur peut toujours être variée à puissance de flamme constante.
-
La présente invention couvre également un four de combustion muni d'au moins un ensemble de combustion suivant l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus. Le au moins un ensemble de combustion suivant l'invention est monté dans le four avec l'extrémité inférieure du bloc dirigée vers le bas, l'extrémité supérieure du bloc dirigée vers le haut et la face de sortie du bloc dirigée vers une zone de combustion à l'intérieur du four. De cette manière, quand les brûleurs génèrent des flammes en aval de la face de sortie du bloc par combustion du combustible avec le comburant, les flammes générées par les différents brûleurs se situent dans la zone de combustion.
-
Un tel four comporte avantageusement plusieurs ensembles de combustion suivant l'invention, avec, par exemple, deux tels ensembles de combustion positionnés l'un à l'opposé de l'autre et/ou deux tels ensembles de combustion l'un à côté de l'autre.
-
Le four peut être un four batch, un four continu ou un four semi-continu, également appelé four semi-batch.
-
Suivant une forme de réalisation importante le four est un four statique et donc pas un four rotatif. Suivant une forme de mise en œuvre intéressante, le four est un four de fusion.
-
L'ensemble de combustion et le four suivant la présente invention sont particulièrement adaptés et utiles pour la mise en œuvre des procédés décrits dans les demandes de brevet non-publiées
FR2405260 et
FR2405259 de la demanderesse, dont l'enseignement est incorporé par référence dans la présente demande.
-
La présente invention et ses avantages sont illustrés dans les exemples non-limitatifs ci-après, référence étant faite au figures 1 à 2, dont
- la figure 1 est une représentation schématique d'une vue frontale d'un ensemble de combustion suivant l'invention, du côté de sa face de sortie,
- la figure 2 est une représentation schématique d'une section transversale de l'ensemble de combustion de la figure 1 quand l'ensemble de combustion est en fonctionnement.
-
L'ensemble de combustion illustré dans les figures comporte un bloc réfractaire non-métallique 10 en forme d'un parallélépipède rectangle, qui s'étend sur une hauteur h entre son extrémité inférieure 11 et son extrémité supérieure 12.
-
La face de sortie 13 du bloc 10 est à l'opposé de la face d'entrée 14 du bloc 10, la face de sortie 13 et la face d'entrée 14 étant espacées l'une de l'autre d'une épaisseur ep.
-
Le bloc 10 est réparti sur sa hauteur h en quatre étages et1, et2, et3 et et4. L'étage et1 est contigu à l'extrémité inférieure 11 et l'étage e4 est contigu à l'extrémité supérieure 12.
-
Chaque étage et1 à et4 est percé par un ou plusieurs passages p s'étendant de la face d'entrée 14 à la face de sortie 13.
-
Les étages et1 et et2 sont chacun percés par trois passages p et les étages et3 et et4 chacun par un seul passage p.
-
Dans les étages et1 et et2, les passages p se terminent dans la face de sortie 13 en une ouverture d'injection centrale 21 pour l'injection de combustible et de comburant flanquée dans la direction perpendiculaire à la direction de la hauteur h par deux ouvertures d'injection 22 pour l'injection de comburant d'étagement.
-
Dans les étages et3 et et4, le passage unique p se termine dans la face de sortie 13 en une seule ouverture d'injection 23 pour l'injection de combustible et de comburant.
-
Un brûleur est monté sur chaque étage et1, et2, et3, et4. Le ou les injecteurs de combustible 31 et le ou les injecteurs de comburant 32 du brûleur sont insérés dans le au moins un passage p de l'étage et1, et2, et3, et4 correspondant.
-
Chaque brûleur est capable de générer une flamme f1, f2, f3, f4 dont la longueur peut être modifiée à puissance de flamme constante.
-
L'orientation de la ou des passages p de l'étage détermine la direction dans laquelle s'étend la flamme f1, f2, f3, f4 en aval de la face de sortie 13.
-
Les flammes f1, f2, f3 et f4 sont non-convergentes. Les flammes f2 et f3 sont parallèles, les flammes f1 et f4 sont divergentes l'une par rapport à l'autre et par rapport aux autres flammes f2 et f3.
-
Les brûleurs des étages et3 et et4 comportent un injecteur de combustible 31 au centre, entouré d'un deuxième injecteur de combustible 31 qui est à son tour entouré d'un injecteur de comburant 32. En modifiant la distribution du combustible entre les deux injecteurs de combustible 31, il est possible de modifier la longueur de la flamme f3, f4 générée à puissance de flamme constante. Les brûleurs des étages et1 et et2 sont des brûleurs permettant la combustion étagée par étagement de l'injection de combustible. Ils se distinguent respectivement des brûleurs des étages et3 et et4 en ce qu'ils comportent des injecteurs supplémentaires 33 pour l'étagement contrôlé de l'injection du comburant dans le plan perpendiculaire à la direction de la hauteur h via les deux ouvertures d'injection 22 pour l'injection de comburant d'étagement.
-
A chaque étage et1, et2, et3, et4, le au moins une ouverture d'injection 21, 22, 23 définit un rectangle de contact 25 sur la face de sortie 13 dont les segments parallèles à la direction de la hauteur h ont une longueur y et les segments perpendiculaires à la direction de la hauteur h ont une longueur x. Dans la forme de réalisation illustrée, les rectangles de contact définis sur la face de sortie 13 ont des centres de gravité c alignés dans la direction de la hauteur h.
-
A l'étage inférieur et1 et aux étages et2 et et3, le rapport entre x et y est supérieure à 2, ce qui permet de réaliser des flammes f1, f2 et f3 larges dont la section transversale dont la dimension perpendiculaire à la direction de la hauteur h est plus grande que sa dimension dans la direction de la hauteur h. Quand une charge se trouve en face de l'ensemble de combustion, une telle flamme f1, f2 et f3 permet de chauffer la surface de la charge sur une distance plus importante dans cette direction perpendiculaire à la hauteur h, mais sur une hauteur réduite.
-
A l'étage supérieure et4 de la forme de réalisation illustrée, le rapport entre x et y est en substance égale à 1. La flamme f4 générée par le brûleur correspondant est une flamme de section transversale en substance circulaire.
-
La dimension x à l'étage et4 est inférieure à la dimension x à l'étage et3 qui est à son tour inférieure à la dimension x à l'étage et2.
-
Une telle forme de réalisation est particulièrement adaptée quand l'ensemble de combustion est utilisé pour chauffer une charge en face de l'ensemble tassée dans une pile de forme conique ou tronconique, dont la section diminue donc vers le sommet. En effet, une telle configuration permet de diriger les flammes f1, f2, f3, f4, uniquement vers la charge à chauffer, rendant ainsi le procédé de chauffe plus efficace.
-
Le fait que l'ensemble de combustion comporte une rangée de brûleurs dans la direction de la hauteur h permet d'adapter la chauffe de la charge à la hauteur du tas, notamment en éteignant ou en allumant les brûleurs des étages supérieurs et2, et3, et4, ou des étages et3 et et4, voire uniquement de l'étage et4, en fonction de la hauteur du tas.