FR3030689A1 - Oxy-bruleur pour gaz combustible a bas pouvoir calorifique et son utilisation - Google Patents

Oxy-bruleur pour gaz combustible a bas pouvoir calorifique et son utilisation Download PDF

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Abstract

Brûleur pour la combustion d'un gaz combustible à bas pouvoir calorifique avec un oxydant riche en oxygène, ledit brûleur comportant : - un passage primaire central de combustible (1) muni d'un corps camus (5), - un passage primaire d'oxydant (2) qui entoure le passage primaire de gaz combustible (1), - une enveloppe réfractaire (6) qui entoure et s'étend au-delà des deux passages primaires (1, 2), - un passage secondaire d'oxydant (3) qui entoure l'enveloppe réfractaire (6) et un ou plusieurs passages secondaires de gaz combustible (4) entourant l'enveloppe réfractaire (6) et entourés du passage secondaire d'oxydant et/ou positionnées à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire (6) et positionnés autour du passage primaire d'oxydant (2).

Description

La présente invention concerne un oxy-brûleur pour gaz combustible à bas pouvoir calorifique. En particulier dans les industries énergivores, comme l'énergie sidérurgique, il existe un besoin important d'améliorer l'efficacité énergétique afin de réduire les coûts d'énergie et de limiter ou réduire les émissions polluantes.
Des gaz à bas pouvoir calorifique générés en tant que produits secondaires dans des procédés industriels sont une source potentielle d'énergie à coût faible. Toutefois, la combustion de gaz à bas pouvoir calorifique présente des problèmes d'instabilité et de faibles températures de flamme. L'utilisation d'oxygène en substance pur comme comburant pour la combustion d'un gaz à bas pouvoir calorifique ne permet pas en tant que tel de surmonter ces problèmes. Le préchauffage d'un combustible à bas pouvoir calorifique et du comburant, comme par exemple décrit dans EP-A-2748388, ne permet pas non plus en tant que tel de réaliser le niveau souhaité de stabilité de flamme.
Pour ces raisons, le gaz à bas pouvoir calorifique est généralement mélangé ou combiné avec un combustible à pouvoir calorifique élevé, comme le gaz naturel, souvent appelé « booster fuel » en anglais, afin d'améliorer les caractéristiques de la combustion et notamment la stabilité et la température de la flamme.
Toutefois, la nécessité de brûler un combustible à pouvoir calorifique élevé annule, au moins en partie, les bénéfices de brûler le gaz à bas pouvoir calorifique. La présente invention a pour but de permettre la combustion d'un gaz combustible à bas pouvoir calorifique avec une stabilité de flamme améliorée. La présente invention a en particulier pour but de permettre la combustion d'un gaz combustible à bas pouvoir calorifique avec une stabilité de flamme améliorée sans besoin de brûler un combustible à pouvoir calorifique élevé en plus du gaz à bas pouvoir calorifique. Ceci est rendu possible grâce au brûleur suivant l'invention. Le brûleur suivant l'invention est un brûleur pour la combustion d'un gaz combustible à bas pouvoir calorifique avec un oxydant riche en oxygène. Il comporte un ensemble d'injection. Cet ensemble d'injection comporte à son tour un passage primaire central de gaz combustible, un passage primaire d'oxydant, au moins un passage secondaire de gaz combustible et un passage secondaire d'oxydant.
Le passage primaire central de gaz combustible présente un axe longitudinal et une sortie primaire de gaz combustible pour l'injection d'une portion primaire du gaz combustible dans une zone de combustion aval. Le passage primaire d'oxydant entoure le passage primaire de gaz combustible et présente une sortie primaire d'oxydant pour l'injection d'une portion primaire de l'oxydant dans la zone de combustion aval. Le brûleur comporte aussi une enveloppe réfractaire qui entoure le passage primaire d'oxydant. Une telle enveloppe réfractaire est souvent désignée par le terme anglais « burner tile ». L'enveloppe réfractaire s'étend au-delà de la sortie primaire de gaz combustible et au-delà de la sortie primaire d'oxydant. De cette manière, une zone libre est créée à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire en aval desdites sorties primaires. Comme sera décrit ci-après, cette zone libre sert de zone de recirculation. Le passage secondaire d'oxydant entoure l'enveloppe réfractaire et présente une sortie secondaire d'oxydant pour l'injection d'une portion secondaire de l'oxydant dans la zone de combustion en aval de l'enveloppe réfractaire. Chacun des un ou plusieurs passages secondaires de gaz combustible présente une sortie secondaire de gaz combustible pour l'injection d'une portion secondaire du gaz combustible dans la zone de combustion en aval de l'enveloppe 30 réfractaire.
Suivant une forme de réalisation, le brûleur comporte un passage secondaire de gaz combustible qui entoure l'enveloppe réfractaire et qui est à son tour entouré par le passage secondaire d'oxydant. Suivant une autre forme de réalisation, le brûleur comporte une multitude de passages secondaires de gaz combustible qui sont positionnés à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire et autour du passage primaire d'oxydant. Le brûleur peut également comporter un passage secondaire de gaz combustible qui entoure l'enveloppe réfractaire tel que décrit ci-dessus en combinaison avec une multitude de passages secondaires de gaz combustible qui sont positionnés à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire et autour du passage primaire d'oxydant comme décrit ci-dessus. Afin de renforcer la recirculation des gaz dans la zone de recirculation susmentionnée à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire, un corps camus (en anglais : « bluff body ») est positionné à la sortie primaire de gaz combustible ou dans la sortie primaire de gaz combustible. Ce corps camus réduit la section transversale d'écoulement (exprimé en mm2) du passage primaire de gaz combustible. Le corps camus réduit donc la section transversale d'écoulement disponible pour la portion primaire du gaz combustible au niveau de son injection. Ce corps camus est apte à produire une recirculation des gaz injectés par les passages primaires dans la zone libre susmentionnée qui se trouve à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire. Une recirculation de gaz est ainsi créée à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire en aval des ouvertures primaires d'injection de gaz combustible et d'oxydant. Une telle (zone de) recirculation permet d'augmenter la stabilité de la flamme générée par la combustion, dite combustion primaire, des réactifs injectés par les passages primaires. Plusieurs configurations sont envisageables pour le brûleur suivant l'invention. Toutefois une configuration concentrique et/ou axisymétrique est généralement préférée. Ainsi, le passage primaire d'oxydant peut être concentrique avec le passage primaire de gaz combustible.
L'enveloppe réfractaire peut être concentrique avec le passage primaire d'oxydant et le passage secondaire d'oxydant peut être concentrique avec l'enveloppe réfractaire. Quand le brûleur comprend un passage secondaire de gaz combustible qui 5 entoure l'enveloppe réfractaire et qui est entouré du passage secondaire d'oxydant, le passage secondaire de gaz combustible est de préférence concentrique avec l'enveloppe réfractaire. Quand le brûleur comprend une multitude de passages secondaires de gaz combustible positionnés à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire et autour du passage primaire d'oxydant, les sorties 10 secondaires de gaz combustible de ladite multitude de passages secondaires de gaz combustible sont avantageusement distribuées de manière axisymétrique autour de l'axe longitudinal et /ou de manière régulière autour du passage primaire d'oxydant, c'est-à-dire à distance constante (dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal) entre deux sorties secondaires successives autour du passage 15 primaire d'oxydant. L'ensemble d'injection du brûleur suivant l'invention comporte de préférence entre 4 et 24 passages secondaires de gaz combustible positionnés dans l'enveloppe. De préférence, le brûleur suivant l'invention comporte de préférence de 6 à 16 tels passages secondaires de gaz combustible, encore de préférence de 20 6 à 10. L'enveloppe réfractaire est avantageusement une enveloppe réfractaire céramique. Un bon niveau de recirculation de la portion primaire de gaz combustible et de la portion primaire d'oxydant, en combinaison avec une longueur adéquate de 25 la flamme générée par la combustion de ces deux réactifs, ont été obtenus quand le rapport Apc/Apo est de1,0 à 15,0. De préférence 1,3 Apc/Apo 4,0. Dans ce rapport, Apc représente la section transversale d'injection de la sortie primaire de gaz combustible et Apo la section transversale d'injection de la sortie primaire d'oxydant. 30 Il est à noter que, en particulier quand un passage d'injection présente une section transversale annulaire, la sortie d'un passage peut présenter la forme d'une plaque, et notamment d'une couronne, présentant une multitude d'ouvertures d'injection. Dans ce cas, la section transversale d'injection de cette sortie de passage correspond à la somme des superficies des ouvertures d'injection individuelles dans la plaque.
Une bonne stabilité de la combustion de la portion secondaire du gaz combustible avec la portion secondaire de l'oxydant et une longueur adéquate de la flamme issue de cette combustion secondaire ont été réalisées quand 1,0 Asc/Aso 7,0. De préférence 1,0 Asc/Aso 6,0. Dans ces équations, Asc représente la section transversale d'injection totale du un ou plusieurs sorties secondaires de gaz combustible et Aso représente la section transversale d'injection de la sortie secondaire d'oxydant. Les éléments de l'ensemble d'injection autre que l'enveloppe réfractaire sont généralement des pièces métalliques. La stabilisation de la flamme est plus prononcée quand le brûleur comporte un ouvreau (en anglais : « quarl ») qui entoure au moins la portion de l'ensemble d'injection comportant les sorties secondaires de gaz combustible et d'oxydant. L'ouvreau peut de manière utile s'étendre au-delà des sorties secondaires de gaz combustible et d'oxydant (dans le sens d'injection des réactifs). La présence d'un tel ouvreau peut notamment créer en aval de l'ouvreau une deuxième zone de recirculation contribuant à la stabilité de la combustion. L'ouvreau est typiquement réalisé en matière réfractaire céramique. Le brûleur suivant l'invention s'est avéré particulièrement indiqué pour un oxy-brûleur à tube radiant pour la combustion d'un gaz combustible à bas pouvoir calorifique. Un tel brûleur à tube radiant comporte par définition un tube radiant entourant la zone de combustion. Le brûleur comprend de préférence un régulateur de débit pour le réglage des débits de gaz combustible vers les passages primaire et secondaire(s) de gaz combustible et pour le réglage des débits d'oxydant vers les passages primaire et secondaire d'oxydant. Un tel régulateur règle notamment le rapport entre la portion primaire de gaz combustible et le rapport secondaire de gaz combustible ainsi que les rapports d'équivalence combustible-oxydant entre la portion primaire du combustible et la portion primaire de l'oxydant, respectivement entre la portion secondaire de gaz combustible et la portion secondaire de l'oxydant. Il est à noter que, dans le présent contexte, les portions primaires et les portions secondaires sont exprimées en terme de débits de gaz combustible et d'oxydant. Le rapport d'équivalence combustible-oxydant est défini comme le rapport entre d'une part, le ratio réel entre le débit de combustible et le débit d'oxydant, et d'autre part, le rapport strictement stoechiométrique entre le débit de ce combustible et le débit de cet oxydant.
Le brûleur est de préférence également muni d'un détecteur de flamme pour détecter la présence ou l'absence d'une flamme en aval des passages de gaz combustible et d'oxydant et en particulier en aval des passages primaires de gaz combustible et d'oxydant. Ce détecteur de flamme est avantageusement relié au régulateur de débit susmentionné, de manière à pouvoir adapter les débits injectés si, malgré tout, la flamme devait s'éteindre. Le détecteur de flamme peut également être un détecteur d'intensité de flamme. Comme indiqué ci-dessus, le brûleur suivant l'invention a été conçu pour la combustion d'un gaz combustible à bas pouvoir calorifique avec un oxydant riche en oxygène.
Ainsi, pour le fonctionnement du brûleur, les passages primaire et secondaire de gaz combustible sont fluidiquement reliés à une source d'un gaz combustible à bas pouvoir calorifique, c'est-à-dire, présentant un PCI inférieure à 3,00 kWh/m3. Le PCI dudit gaz combustible s'élève toutefois de préférence à au moins 0,95 kWh/m3. Les passages primaire et secondaire d'oxydant sont à leur tour fluidiquement reliés à une source d'un oxydant riche en oxygène, c'est-à-dire d'un oxydant présentant une teneur en oxygène de 90%vol à 100%vol. Ledit oxydant présente de préférence une teneur en oxygène de 95%vol à 100%vol. Les passages primaire et secondaire de gaz combustible sont de manière utile fluidiquement relies à une source d'un gaz combustible à bas pouvoir 30 calorifique contenant du CO et du H2 et consistant pour au moins 50%vol en un gaz inerte. Le gaz inerte est de préférence choisi parmi le N2, le CO2, la vapeur d'eau et des combinaisons d'au moins deux desdits gaz inertes. Des exemples de tels gaz à bas pouvoir calorifique sont le gaz de haut fourneau ou encore le résidu gazeux obtenu après purification de H2 à partir de gaz de synthèse. Dans le présent contexte, deux éléments sont fluidiquement reliés quand ils sont reliés par une canalisation permettant le transport d'un fluide d'un des deux éléments vers l'autre des deux éléments. Dans le présent contexte, un gaz est considéré un gaz inerte quand il ne participe pas à la combustion (ni en tant que combustible, ni en tant qu'oxydant de combustion) aux conditions (telles que température et pression) qui existent dans la zone de combustion. Comme déjà indiqué dans l'introduction, le gaz combustible et/ou l'oxydant sont avantageusement chauffés avant d'être fournis au brûleur. Le chauffage d'un réactif de combustion avant d'être fourni à un brûleur est généralement appelé « préchauffage ».
Ainsi, la source de gaz combustible fournit avantageusement le gaz combustible à bas pouvoir calorifique au brûleur à une température d'au moins 300°C et de préférence de pas plus que 450°C, encore de préférence de 350°C à 450°C. La source d'oxydant fournit avantageusement l'oxydant riche en oxygène au brûleur à une température d'au moins 250°C et de préférence de pas plus que 650°C, encore de préférence d'au moins 300°C. Par exemple, quand le gaz à bas pouvoir calorifique est un gaz de haut fourneau, la source de gaz combustible peut consister en une installation de hauts-fourneaux et d'une installation de préchauffage du gaz de haut fourneau généré pas l'installation de hauts-fourneaux. Il est notamment possible d'utiliser pour le préchauffage du gaz combustible et/ou de l'oxydant la chaleur résiduelle présente dans les fumées évacuées de la zone de combustion. Comme également indiqué ci-dessus, le brûleur suivant l'invention présente l'avantage de réaliser une bonne stabilité de flamme sans avoir recours à un combustible à pouvoir calorifique élevé. Ainsi, la source de gaz combustible à bas pouvoir calorifique peut être la seule source de combustible à laquelle le brûleur est fluidiquement relié.
Le brûleur suivant l'invention permet non seulement une bonne stabilité de la flamme obtenue par combustion du gaz combustible à bas pouvoir calorifique avec un oxydant riche en oxygène, il permet également de réaliser une longue flamme avec un profil de température particulièrement uniforme.
La présente invention couvre également une installation de chauffe équipée d'au moins un brûleur selon l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus. Cette installation de chauffe peut notamment être une chaudière, une installation de réchauffage d'éléments métalliques, tels que des tôles, brames ou encore une installation de galvanisation.
L'invention couvre également l'utilisation d'un brûleur suivant l'une quelconque de ces formes de réalisation pour la combustion du gaz combustible à bas pouvoir calorifique avec l'oxydant riche en oxygène, en particulier pour la production ou la surchauffe de vapeur, pour le réchauffage d'éléments métalliques ou encore pour la galvanisation d'éléments métalliques.
Le brûleur suivant l'invention est particulièrement utile pour des applications avec une marge de réglage effective (en anglais : « turndown ratio ») élevée. Ainsi, la présente invention couvre également un procédé de combustion d'un combustible à bas pouvoir calorifique avec un oxydant riche en oxygène au moyen d'un brûleur suivant l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci- dessus, ledit bruleur étant relié à une source de gaz combustible à bas pouvoir calorifique et à une source d'oxydant riche en oxygène comme qu'également décrit ci-dessus. Selon ce procédé de combustion : - la portion primaire du gaz combustible est injectée dans la zone de combustion à travers le passage primaire de gaz combustible, et - la portion primaire de l'oxydant est injectée dans la zone de combustion à travers le passage primaire d'oxydant, et ceci de manière à générer une combustion primaire de la portion primaire du gaz combustible avec la portion primaire de l'oxydant.
Egalement selon ce procédé de combustion : - la portion secondaire de l'oxydant est injectée dans la zone de combustion à travers le passage secondaire d'oxydant, - La portion secondaire du gaz combustible est injectée dans la zone de combustion à travers le au moins un passage secondaire de gaz combustible, 5 ceci de manière à générer une combustion secondaire de la portion secondaire du gaz combustible avec la portion secondaire de l'oxydant. La somme des portions primaire et secondaire de gaz combustible forme le débit total de gaz combustible. La somme des portions primaire et secondaire d'oxydant forme le débit total d'oxydant. 10 Le procédé de combustion suivant l'invention comporte une alternance de phases actives et de phases de veille. Pendant une phase active, la portion primaire du gaz combustible s'élève à entre 20 et 30% du débit total de gaz combustible, le reste du débit total de gaz combustible étant donc injecté en tant que portion secondaire de gaz combustible. 15 Pendant une phase de veille, par contre, la portion primaire du gaz combustible constitue entre 90% et 100% du débit total de gaz combustible, avec donc injection d'une très faible portion secondaire de gaz combustible, voire sans injection d'une portion secondaire de gaz combustible. Pendant une phase de veille le débit total de gaz combustible est limité à seulement entre 20 et 30% du 20 débit total de gaz combustible pendant une phase active. Afin d'éviter un changement trop brusque de la combustion, et donc de la température, lors d'une transition entre une phase de veille et la phase active qui suit, le procédé peut également inclure une phase de transition entre ces deux phases, phase de transition pendant laquelle la portion secondaire du gaz 25 combustible augmente progressivement de la portion secondaire du gaz combustible de la phase de veille jusqu'à la portion secondaire du gaz combustible de la phase active qui succède ladite phase de veille. Il peut également être utile de prévoir une deuxième phase de transition entre une phase active et la phase de veille qui succède. Pendant une telle 30 deuxième phase de transition la portion secondaire du gaz combustible diminue progressivement de la portion secondaire du gaz combustible de la phase active jusqu'à la portion secondaire du gaz combustible de la phase de veille qui succède cette phase active. Le procédé peut également comprendre une phase d'allumage, qui précède l'alternance de phases actives et de veille. Pendant cette phase d'allumage, la portion primaire de gaz combustible correspond à entre 90% et 100%, et de préférence 100%, du débit total de gaz combustible. Pendant la phase d'allumage, l'enveloppe réfractaire est ainsi amenée à une température suffisante pour permettre une combustion primaire stable pendant les phases de veille et les phases actives qui suivent, c'est-à-dire pendant l'alternance de phases de veille et de phases actives. Le rapport d'équivalence combustible-oxidant de la combustion primaire est de préférence de 0,87 à 1,10. Le rapport d'équivalence combustible-oxidant de la combustion secondaire est généralement choisi en fonction du rapport d'équivalence de la combustion primaire et ceci typiquement de manière à réaliser une combustion quasi complète ou complète du gaz combustible à bas pouvoir calorifique dans la zone de combustion. Le procédé suivant l'invention peut notamment être utilisé pour le chauffage d'une charge dans une installation de chauffe, telle qu'une chaudière, un four de réchauffage d'éléments métalliques ou un four de galvanisation.
De manière surprenante, il a été trouvé que le procédé suivant l'invention permet de chauffer une charge jusqu'à une température de 1000°C à 1500°C, même en utilisant uniquement un gaz combustible à bas pouvoir calorifique. Quand le brûleur comporte un régulateur de débit pour le réglage des débits de gaz combustible vers les passages primaire et secondaire(s) de gaz combustible et pour le réglage des débits d'oxydant vers les passages primaire et secondaire d'oxydant, on utilise avantageusement au moins un détecteur de température pour détecter au moins une température dans la zone de combustion et/ou pour détecter au moins une température dans l'installation de chauffe en aval de la zone de combustion.
L'un au moins des détecteurs de température est alors de préférence relié au régulateur de débit afin de réguler la chaleur générée par le brûleur en fonction de la ou des températures détectées et la ou les températures cibles du procédé réalisé dans l'installation. La présente invention, son fonctionnement et ses avantages sont illustrés dans les exemples ci-après, référence étant faite aux figures (1 à 3), dans lesquelles : - La figure 1 montre une section d'un brûleur suivant l'invention selon l'axe longitudinal. - La figure 2 montre une vue d'en face de l'ensemble injection du brûleur de la figure 2 - La figure 3 montre une vue d'en face d'une forme de réalisation alternative de l'ensemble d'injection. L'ensemble d'injection du brûleur selon la figure 1 comporte un passage central qui s'étend selon l'axe longitudinal X-X. Ledit passage central 1 constitue le passage primaire de gaz combustible et se termine en une sortie primaire de gaz combustible pour l'injection d'une portion primaire du gaz combustible dans la zone de combustion aval 7. Un passage primaire d'oxydant 2 entoure le passage primaire de combustible 1. Le passage primaire d'oxydant 2 présente une sortie primaire d'oxydant pour l'injection d'une portion primaire de l'oxydant riche en oxygène 20 dans la zone de combustion aval 7. Une enveloppe réfractaire céramique 6 entoure le passage primaire d'oxydant et s'étend à la fois au-delà de la sortie primaire de gaz combustible et au-delà de la sortie primaire d'oxydant, créant ainsi une zone libre 9 à l'intérieur de ladite enveloppe 6 en aval des passages primaires 1 et 2. 25 Le gaz combustible à faible pouvoir calorifique de la première portion de gaz combustible entre en contact avec l'oxydant riche en oxygène de la première portion d'oxydant à l'intérieur de cette zone libre 9 de manière à créer une combustion primaire entre ces deux réactifs. Un corps camus 5 se trouve à la sortie primaire de combustible. Dans la 30 forme de réalisation illustrée, il s'agit d'un corps camus monté sur la paroi extérieure du passage primaire de combustible I. Il est toutefois également possible d'utiliser un corps camus positionné à ou dans la sortie primaire de combustible au niveau de l'axe longitudinal X-X. La présence d'un tel corps camus 5 réduit la section transversale d'écoulement disponible pour la portion primaire du combustible au niveau de sa sortie d'injection et génère une zone de recirculation de gaz primaire 20 dans la zone libre susmentionnée directement en aval de cette sortie et à l'intérieur de l'enveloppe 6. La recirculation de gaz dans cette zone de recirculation primaire 20 permet d'amener la paroi de l'enveloppe réfractaire 6 en aval des passages primaires 1 et 2 à une plus haute température et contribue à la stabilité de la combustion primaire. L'ensemble d'injection comporte également un passage secondaire d'oxydant 3 qui entoure l'enveloppe réfractaire. Ce passage secondaire d'oxydant 3 présente une sortie secondaire d'oxydant pour l'injection d'une portion secondaire de l'oxydant riche en oxygène dans la zone de combustion 7 en aval de l'enveloppe réfractaire 6. Selon la forme de réalisation illustrée dans les figures 1 et 2, un seul passage secondaire de combustible 4 se trouve entre l'enveloppe réfractaire 6 et le passage secondaire d'oxydant 3. Le passage secondaire de combustible 4 entoure l'enveloppe réfractaire 6 et est lui-même entouré du passage secondaire d'oxydant 3. Le passage secondaire de combustible 4 se termine en une sortie secondaire annulaire de combustible pour l'injection d'une portion secondaire du gaz combustible à faible pouvoir calorifique dans la zone de combustion 7 en aval de l'enveloppe réfractaire 6.
Quand on injecte une des portions secondaires du gaz combustible et de l'oxydant, ces deux réactifs se rencontre en aval de l'enveloppe réfractaire 6, créant ainsi une zone de combustion secondaire, la stabilité et la température de la combustion secondaire étant promues par la combustion primaire des portions primaires de ces réactifs.
Un ouvreau 10 se trouve autour de l'ensemble d'injection décrit ci-dessus. L'ouvreau 10 entoure plus spécifiquement la partie de l'ensemble d'injection qui comporte les différentes sorties primaires et secondaires et s'étend au-delà de l'enveloppe réfractaire. Ledit ouvreau 10 présente une forme et une épaisseur telles qu'une zone de recirculation secondaire de gaz 30 se crée en aval de l'ouvreau 10, ce qui contribue également à la stabilité de la combustion secondaire. La zone de combustion (zone de combustion primaire et zone de combustion secondaire) se trouve à l'intérieur d'un tube radiant 11 dont la base entoure l'ouvreau 10. L'ensemble d'injection selon la figure 3 se distingue de celui selon les figures 1 et 2 en ce qu'il comporte six passages secondaires de gaz combustible 4 positionnés dans l'enveloppe réfractaire 6 au lieu d'un seul passage secondaire de gaz combustible autour de l'enveloppe réfractaire. Les six passages secondaires de gaz combustible 4 sont régulièrement distribués autour de l'axe longitudinal X-X.
Dans l'exemple ci-après, le brûleur illustré dans les figures 1 et 2 est utilisé pour brûler du gaz de haut-fourneau avec de l'oxygène industriel (présentant une teneur en oxygène de 99%vol). La zone de combustion est confinée dans le tube radiant dont le diamètre est de 1,3 à 1,5 fois le diamètre de l'ensemble d'injection. Pour une configuration donnée du brûleur, la recirculation dans la zone de recirculation primaire est déterminée par le rapport entre la vitesse d'injection V022 de la portion secondaire de l'oxygène et la vitesse d'injection Vfi de la portion primaire du gaz combustible. La vitesse d'injection d'un débit donné de fluide est déterminée par la section transversale d'écoulement de l'ouverture d'injection correspondante : Afi pour la portion primaire du gaz combustible et A022 pour la portion primaire de l'oxydant. Différentes rapports de vitesses et de sections transversales d'écoulement et les résultats obtenus dans la zone de combustion primaire en phase de veille (sans injection de portions secondaires des réactifs) sont donnés dans le tableau 1.30 Vfi (mis) V022Nf1 Longueur de la Rapport de Af1/A022 flamme recirculation primaire (m) 1 4 2.50 2.9 0.2855 11.4 2 4 1.00 2.8 0.2050 4.6 3 11 0.36 3.3 0.8926 1.6 Tableau 1 Pendant une telle phase de veille, la combustion, consistant uniquement de la combustion primaire était stable malgré l'absence de moyen pour le tourbillonnement (swirl) des portions primaires de réactifs injectées. Le tableau 2 donne les résultats obtenus pendant la phase active du même brûleur et avec une combustion primaire selon le cas 2 du tableau 1. Dans le tableau 2 : - Vf4 représente la vitesse d'injection de la portion secondaire du gaz combustible - V023 représente la vitesse d'injection de la portion secondaire de l'oxygène - Af4 représente la section transversale d'écoulement de l'ouverture d'injection secondaire du gaz combustible, - A023 représente la section transversale d'écoulement de l'ouverture secondaire de l'oxygène, et - L est la longueur totale de la flamme (flamme primaire + flamme secondaire).25 ase Fuel velocity, V023A/f4 Flame L Am/A023 Vf4 (mis) 10 1 8.02 5.5 15 0.66 8.44 3.6 20 0.5 8.78 2.7 15 0.66 8.9 3.6 20 0.5 9.3 2.7 30 0.33 9.8 1.8 Tableau 2 Comme indiqué précédemment, la stabilité de la combustion du gaz combustible à faible pouvoir calorifique peut encore être améliorée en préchauffant le gaz combustible et/ou l'oxydant riche en oxygène. Le préchauffage d'un ou des réactifs de combustion a également un impact sur la température de la flamme générée. Le tableau 3 donne les températures du tube radiant obtenues pour différents niveaux de préchauffage du gaz combustible (gaz de haut-fourneau) et de l'oxygène avec : - T Fuel = température de préchauffage du gaz combustible - T 02 = température de préchauffage de l'oxygène - T Process = température de la tube radiant.
T Fuel (°C) T 02 (°C) T Process (°C) 100 400 1310 500 1310 600 1320 200 400 1360 500 1360 600 1370 300 400 1400 500 1410 600 1420 450 400 1480 500 1490 600 1490 Tableau 3 Comme montré dans le tableau 3, le brûleur suivant l'invention permet d'obtenir, en brûlant uniquement un gaz combustible à bas pouvoir calorifique, des températures de l'ordre de 1300°C et de 1500°C, ce qui correspond à une plage de températures couramment utilisé dans les installations de chauffe industrielles, comme notamment les fours de réchauffage. Du fait que le brûleur suivant l'invention permet une opération stable avec une marge de réglage effective élevée, le brûleur est effectivement particulièrement utile pour des applications qui ne nécessitent pas une fourniture continue d'un même niveau de chaleur. Par exemple, dans le cas d'un four de réchauffage, un niveau important de chaleur est nécessaire uniquement quand un élément métallique passe devant, en dessous ou au-dessus du brûleur. Le brûleur suivant l'invention permet de fournir de telles piques de chauffe lors de ses phases actives et de baisser significativement la fourniture d'énergie et donc la consommation d'oxygène lors de ses phases de veille sans interruption de la combustion et ceci avec un gaz combustible à faible pouvoir calorifique.20

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Brûleur pour la combustion d'un gaz combustible à bas pouvoir calorifique avec un oxydant riche en oxygène, le brûleur comportant un ensemble d'injections, ledit ensemble d'injections comportant: a) un passage primaire central de gaz combustible (1) présentant un axe longitudinal X-X et une sortie primaire de gaz combustible pour l'injection d'une portion primaire du gaz combustible dans une zone de combustion aval (7) ; b) un passage primaire d'oxydant (2) qui entoure le passage primaire de gaz combustible (1) et qui présente une sortie primaire d'oxydant pour l'injection d'une portion primaire de l'oxydant dans la zone de combustion aval (7) ; c) une enveloppe réfractaire (6) entourant le passage primaire d'oxydant (2) et s'étendant au-delà de la sortie primaire de gaz combustible et de la sortie primaire d'oxydant; d) un passage secondaire d'oxydant (3) entourant l'enveloppe réfractaire (6) et présentant une sortie secondaire d'oxydant pour l'injection d'une portion secondaire de l'oxydant dans la zone de combustion (7) en aval de l'enveloppe réfractaire (6) ; et e) un ou plusieurs passages secondaires de gaz combustible (4), chaque passage secondaire de gaz combustible (4) présentant une sortie secondaire de gaz combustible pour l'injection d'une portion secondaire du gaz combustible dans la zone de combustion (7) en aval (4) de l'enveloppe réfractaire (6), ledit un ou plusieurs passages secondaires de gaz combustible (4) incluant : - un passage secondaire de gaz combustible (4) entourant l'enveloppe réfractaire (6) et étant entouré par le passage secondaire de l'oxydant (3) et/ou - une multitude de passages secondaires de gaz combustible (4) positionnés à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire (6) et positionnés autour du passage primaire d'oxydant (3) ;l'ensemble d'injection comportant également : f) Un corps camus (5) positionné à ou dans la sortie primaire de gaz combustible de manière à réduire la section transversale d'écoulement pour la première portion du gaz combustible et apte à générer une zone de recirculation de gaz (20) à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire (6) en aval des ouvertures primaires d'injection de gaz combustible et d'oxydant.
  2. 2. Brûleur suivant la revendication précédente comprenant une multitude de passages secondaires de gaz combustible (4) positionnés à l'intérieur de l'enveloppe réfractaire (6) et positionnés autour du passage primaire d'oxydant (2) et dans lequel les sorties secondaires de gaz combustible de ladite multitude de passages secondaires de gaz combustible sont distribuées de manière régulière autour du passage primaire d'oxydant (2).
  3. 3. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le brûleur comporte un ouvreau (10) autour d'au moins une portion de l'ensemble d'injection comportant les sorties de gaz combustible et d'oxydant.
  4. 4. Brûleur suivant la revendication 3 dans lequel l'ouvreau (10) s'étend au-delà des sorties secondaires de gaz combustible et d'oxydant.
  5. 5. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le brûleur est un brûleur comportant un tube radiant (11) entourant la zone de combustion (7).
  6. 6. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un régulateur de débit pour le réglage des débits de gaz combustible vers les passages primaire et secondaires de gaz combustible (1, 4) et pour le réglage des débits d'oxydant vers les passages primaire et secondaire d'oxydant (2, 3).
  7. 7. Brûleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les passages primaire et secondaires de gaz combustible (1, 4) sont fluidiquement reliés à une source d'un gaz combustible avec un PCI inférieur à 3,00 kWh/m3 et de préférence d'au moins 0,95 kWh/m3 et dans lequel les passages primaire et secondaire d'oxydant (2, 3) sont fluidiquement reliés à une source d'un oxydant riche en oxygène présentant une teneur en oxygène de 90%vol à 100%vol, de préférence de 95%vol à 100%vol.
  8. 8. Brûleur suivant la revendication 7, dans lequel le gaz combustible à bas pouvoir calorifique contient du CO et du H2 et consiste pour au moins 50%vol en un gaz inerte, le gaz inerte étant de préférence choisi parmi le N2, le CO2, la vapeur et des combinaisons d'au moins deux desdits gaz, ledit gaz à bas pouvoir calorifique étant de préférence du gaz de haut fourneau.
  9. 9. Brûleur suivant l'une des revendications 7 et 8, dans lequel la source de gaz combustible à bas pouvoir calorifique est la seule source de gaz combustible à laquelle le brûleur est fluidiquement relié.
  10. 10. Installation de chauffe équipé d'au moins un brûleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, ladite installation de chauffe étant de préférence une chaudière ou une installation de réchauffage ou de galvanisation d'éléments métalliques.
  11. 11. Utilisation d'un brûleur suivant l'une des revendications 7 à 9 pour la combustion du gaz combustible à bas pouvoir calorifique avec l'oxydant riche en oxygène.
  12. 12. Utilisation suivant la revendication 11 pour la production ou la surchauffe de vapeur ou pour le réchauffage ou la galvanisation d'éléments 30 métalliques.
  13. 13. Procédé de combustion d'un gaz combustible à bas pouvoir calorifique avec un oxydant riche en oxygène au moyen d'un brûleur suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, procédé dans lequel: - la portion primaire du gaz combustible est injectée dans la zone de combustion (7) à travers le passage primaire de gaz combustible (1), et - la portion primaire de l'oxydant est injectée dans la zone de combustion (7) à travers le passage primaire d'oxydant (2), de manière à générer une combustion primaire de la portion primaire du gaz combustible avec la portion primaire de l'oxydant, et dans lequel : - la portion secondaire de l'oxydant est injectée dans la zone de combustion (7) à travers le passage secondaire d'oxydant (3), - la portion secondaire du gaz combustible est injectée dans la zone de combustion (7) à travers le au moins un passage secondaire de gaz combustible (4), de manière à générer une combustion secondaire de la portion secondaire du gaz combustible avec la portion secondaire de l'oxydant, ledit procédé comportant une alternance de phases actives et de phases de veille, dans lesquelles : - pendant une phase active : la portion primaire du gaz combustible s'élève à entre 20 et 30% du débit total du gaz combustible, et - pendant une phase de veille : la portion primaire du gaz combustible constitue entre 90% et 100% du débit total du gaz combustible et le débit total du gaz combustible est entre 20 et 30% du débit total du gaz combustible pendant une phase active.
  14. 14. Procédé suivant la revendication 13, comportant une phase de transition entre une phase de veille et une phase active succédant ladite phase de veille, phase de transition pendant laquelle la portion secondaire du gaz 30 combustible augmente progressivement de la portion secondaire du gazcombustible de la phase de veille jusqu'à la portion secondaire du gaz combustible de la phase active qui succède ladite phase de veille.
  15. 15. Utilisation du procédé suivant l'une des revendications 13 et 14 pour le chauffage d'une charge dans une installation de chauffage.
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