WO2005075889A1 - Bruleur radiant a haute temperature - Google Patents

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WO2005075889A1
WO2005075889A1 PCT/FR2004/050704 FR2004050704W WO2005075889A1 WO 2005075889 A1 WO2005075889 A1 WO 2005075889A1 FR 2004050704 W FR2004050704 W FR 2004050704W WO 2005075889 A1 WO2005075889 A1 WO 2005075889A1
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combustion
distribution
burner according
space
porous medium
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Ceased
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PCT/FR2004/050704
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English (en)
Inventor
Olivier Charon
Bernard Labegorre
Jean-Michel Samaniego
Rémi-Pierre TSIAVA
Kirill Dobrego
Serguei A. Zhdanok
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/16—Radiant burners using permeable blocks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/105—Porous plates
    • F23D2203/1055—Porous plates with a specific void range
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2212/00—Burner material specifications
    • F23D2212/10—Burner material specifications ceramic
    • F23D2212/105—Particles

Definitions

  • the invention relates to a radiant burner separating the heating and combustion functions, like radiant tubes used for annealing steels.
  • the principle of a radiant burner consists in heating a body at high temperature by the combustion of a gaseous fuel (natural gas, LPG) or liquid (domestic fuel oil, heavy fuel oil) with an oxidizer which can be air, l pure oxygen or oxygen-enriched air, then transmitting body heat to the elements to be heated (the charge) by radiation from that body.
  • the burner consists of a space supplied by oxidizing and combustible gases and in which combustion takes place; it may for example be a tube. This combustion space is in contact with a porous medium ensuring the transfer of heat from the combustion space to the charge through the emitting surface of this porous medium.
  • the combustion gases are evacuated from the combustion space so as not to interact with the charge.
  • the energy of the combustion gases is generally recovered and used by the process itself (preheating of the oxidant or fuel) or by other processes of the user (production of steam, preheating of products in d 'other thermal units).
  • Radiant burners have three main shortcomings. First of all, the heating power per unit area (surface power) of current radiant burners is limited by the maximum temperature of use of the emitting surface. This temperature does not exceed 1200 ° C for metal alloy tubes or 1350 ° C for ceramic tubes.
  • the limitation of the surface power of the radiant burners has the consequence of limiting the capacities of energy transfer between the combustion space and the load, that is to say the heating rate, but also of limiting the use of these burners to processes whose temperature is lower than 1250 ° C.
  • the effective surface powers of the radiant burners are less than 10 W / cm 2 , generally of the order of 2 to 5 W / cm 2 .
  • the thermal efficiency of these burners when operating at high temperature is moderate and generally between 0.45 and 0.75.
  • their nitrogen oxide emissions are significant, typically of the order of a hundred ppm.
  • Raising the operating temperature of radiant burners is a way to increase the production capacity of a given furnace (increase in heating speed), or to reduce operating costs by substituting electric heating elements with radiant burners. It would therefore be useful to have radiant burners capable of operating above 1400 ° C for the temperature of the emitting surface, with a thermal efficiency greater than 0.75 and nitrogen oxide emissions of the order of ten ppm.
  • One solution in principle, to increase the operating temperature of radiant burners, while reducing fuel consumption and nitrogen oxide emissions, consists in using pure oxygen as oxidant.
  • this solution is confronted with the limited heat transfer capacities between the flame (or the combustion products) and the emitting surface, which very quickly causes hot spots and in practice problems of temperature resistance of the materials.
  • the main difficulty in developing an industrial radiant burner at high temperature lies in fact in the ability of the materials to withstand high temperatures, in an atmosphere which may be locally oxidizing or reducing, and thermal shock or stress.
  • a problem of the present invention is therefore, for a given material, to maximize the useful surface power of the radiant burner.
  • the invention relates to a radiant burner for the combustion of an oxygenated gas and a fuel, comprising:
  • the radiant burner comprises a space for the distribution and combustion of oxygenated gas and fuel; this space corresponds to the place where the flame of combustion develops.
  • This space is supplied by the oxygenated gas and the fuel by injection means.
  • one of the injection means creates a main flow in the distribution and combustion space.
  • main flow is meant the flow directed in the direction in which the flame develops.
  • This means of injection creating the main flow can consist of several injection points which are all located in the same place on the axis of the main flow, generally at the entrance to the distribution and combustion space. It can be oxygenated gas or fuel.
  • the distribution and combustion space is in contact with a porous medium. The function of the porous medium is to transfer the heat of combustion from the combustion space to the emitting wall surrounding the porous medium, said emitting wall then transferring heat to the charge to be heated.
  • the emitting wall may consist of a thin layer of material deposited on the outer surface of the porous medium.
  • the number of injection means different from the injection means creating the main flow is between 0.64 (L / (S e ) 1/2 ) 5 ° and 16, 1 (L / (S ⁇ ) 1/2 ) 0 - 52 , preferably between 3.36 (L / (S ⁇ ) 1 ⁇ ) 0 '50 and 12.3 (lJ (S e ) 1 2 ) 0.52 , L representing the length of the distribution and combustion space in the direction of the main flow and S e representing the surface of the emitting wall. It is preferably the number of fuel injection means.
  • injection means ensure the continuous or discrete distribution of a reagent along the combustion space.
  • these injection means other than that creating a main flow in the distribution and combustion space are distributed uniformly along the main flow. This uniform distribution ensures the staging of the injection of the fluid.
  • the number of injection means can vary as a function of the operating power of the burner, in order to maintain a temperature level for the emitting wall independently of the power transferred to the load. According to a variant, it is possible to inject a premix of the oxygenated gas and of the fuel by means of these injection means different from the injection means creating the main flow.
  • cross section of the space for distribution and combustion of the oxygenated gas and of the fuel S 0 is also advantageous for the cross section of the space for distribution and combustion of the oxygenated gas and of the fuel S 0 to be between (0.01 L) 2 and (0.34L) 2 , preferably between (0.06L) 2 and (0.20L) *.
  • cross section means the section of the distribution and combustion space perpendicular to the direction of the main flow.
  • the porous medium consists of particles and that the dimension d p of the particles is chosen so that: 0.005 (IJ (S e ) 1 2 ) '0 - 48 (S c ) 1 ⁇ ⁇ dp ⁇ 0.48 ((S ⁇ ) 1/2 ) - ° - 48 (S c ) 1/2 advantageously between: 0.10 (L / (S ⁇ ) 1/2 ) - 048 (S 0 ) 12 ⁇ d p ⁇ 0 J 37 (IJ (S e ) 1 ⁇ ) - ° '48 (S o ) 1/2
  • dimension d p of the particles which can be of any shape (but preferably spheroidal), is meant the average volume diameter.
  • the materials making up the burner can for example, be magnesia (MgO), zirconia (ZrO 2 ), alumina (AI 2 O 3 ), silicon carbide (SiC) or alumina titanate 5 (AI 2 O 3 TiO 2 ).
  • MgO magnesia
  • ZrO 2 zirconia
  • alumina AI 2 O 3
  • SiC silicon carbide
  • alumina titanate 5 AI 2 O 3 TiO 2
  • other materials can also be used, for their refractory properties at very high temperatures, such as rare earth oxides.
  • the thermophysical properties of the refractory ceramic used for the radiant burner can be as follows: the emitting wall may have a coefficient of expansion less than or equal to 10 20.10 ° K preferably less than or equal to 5.10 "6 K - the emitting wall may have a thermal conductivity greater than or equal to 1 W / mK, preferably greater than or equal at 10 W / mK, even more preferably greater than or equal to 100 W / mK, - the porous medium may have a thermal conductivity greater than or equal to 15 1 W / mK, preferably greater than or equal to 10 W / mK, even more preferably greater than or equal to 100 W / mK, - the maximum temperature of use of the refractory ceramic of the porous medium can be at least 200 ° C.
  • the melting temperature of the refractory ceramic of the porous medium may be at least 400 ° C. higher than the temperature of the emitting wall for a case operating under the nominal operating conditions of the burner, - the injection means may have a thermal conductivity less than or equal to 10 W / mK, 25 - the injection means may be made of refractory ceramic.
  • the injection means may be based on fibers
  • the emitting wall may be made of a refractory material chosen from SiC, MOSiO 2 , AI 2 O 3 Ti ⁇ 2 and fibrous materials based on alumina fibers
  • the porous medium can consist of a material chosen from SiC, MOSiO 2l MgO
  • the injection means can consist of a material chosen from SiC, MOSiO 2 .
  • the emitting wall, the porous medium and the injection means can be made of the same material chosen from: SiC, MOSiO 2 , fibrous materials based on alumina fibers and AI 2 O 3 TiO 2 .
  • the invention also relates to a method of combustion of a fuel using an oxygenated gas comprising at least 21% by volume of oxygen using a radiant burner as previously described.
  • an oxygen-rich oxidizer preferably pure, provides good thermal efficiency.
  • the oxidizer can be pure oxygen, air enriched in oxygen or a mixture of oxygen, water and preheated carbon dioxide.
  • FIG. 1 illustrates a burner according to the invention.
  • the distribution and combustion space 1 is supplied by: - injection means 2 of a first reagent creating a main flow, supplying the combustion space 1, for example with oxygen, - and injection means 3 of the second reagent complementary to that forming the main flow, for example methane.
  • the combustion gases 7 are eliminated from the combustion space.
  • FIG. 1 it is a cylindrical radiant burner 1 where the 'main flow and the flame develop in the combustion space 2 in the direction of the axis AA' of the burner.
  • the porosity of the porous medium 3 is variable along the burner, since the latter comprises a porous material 4 of refractory ceramic, and means 6 for injecting the gases (oxygen, for example) in a staged fashion at three points B, C, D.
  • the combustion rate is controlled by the geometry of the burner, the distance between the oxygen injection points, and the variable porosity of the porous medium constituting the combustion chamber.
  • the reagents can, if necessary, be partially premixed in order to better control the rate of heat generation by being freed in part from the mixture of reagents.
  • the premix is preferably carried out so as to guarantee a stoichiometry outside the flammability limits in order to avoid the formation of soot or cold spots during the injection of the fuel into the chamber.
  • the choice of a porous refractory ceramic medium and the number of injection points of at least one of the reagents make it possible to limit the maximum temperature inside the burner, as well as the temperature gradients ( homogenization of temperatures).
  • the temperatures in the burner and on the emitting wall, as well as the temperature profile of the emitting wall, are also homogenized. We therefore minimize the extrema and temperature differences on the emitting wall and between it and the combustion space.
  • the burner according to the invention allows industrial use of the burner at a temperature above 1400 ° C.
  • the invention applies in particular to radiant burners for glass melting furnaces, as well as in the fields of vitrification, ceramics and ferrous and non-ferrous materials. Such a burner gives great flexibility for controlling the glass process.
  • a glassmaker can control the atmosphere of the oven to adapt it to his glass by overcoming the constraints linked to the interaction of a reducing or oxidizing combustion atmosphere with the glass bath.
  • the radiant burner according to the invention also allows a better control of the process by authorizing controlled reducing atmospheres (for example by nitrogen / hydrogen mixtures). It also finds application in the field of heat treatment, for example on annealing lines, in the steel industry, where heating can be carried out using the burner according to the invention.
  • combustion techniques for heating, melting, heat treatment, incineration of products in industrial processes which require control of the process atmosphere in order to increase the quality of the product. process efficiency, reduction of pollutant emissions, recovery or recycling of process by-products.

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Abstract

L'invention concerne un brûleur radiant pour la combustion d'un gaz oxygéné et d'un combustible, comportant : un espace de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible, - des moyens d'injection du gaz oxygéné et du combustible dans l'espace de distribution et de combustion, l'un des moyens d'injection créant un écoulement principal du gaz oxygéné ou du combustible dans l'espace de distribution et de combustion, - un milieu poreux en céramique réfractaire au moins partiellement au contact de l'espace de distribution et de combustion, - une paroi émettrice étanche aux gaz en céramique réfractaire entourant le milieu poreux, et dans lequel le nombre de moyens d'injection autres que celui créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion est optimisé.

Description

Brûleur radiant à haute température
L'invention concerne un brûleur radiant séparant les fonctions de chauffage et de combustion, à la manière des tubes radiants utilisés pour le recuit des aciers. Le principe d'un brûleur radiant consiste à chauffer un corps à haute température par la combustion d'un combustible gazeux (gaz naturel, GPL) ou liquide (fioul domestique, fioul lourd) avec un comburant pouvant être de l'air, de l'oxygène pur ou de l'air enrichi en oxygène, puis à transmettre la chaleur du corps aux éléments à chauffer (la charge) par rayonnement de ce corps. En pratique, le brûleur est constitué d'un espace alimenté par les gaz comburant et combustible et dans lequel a lieu la combustion ; il peut par exemple s'agir d'un tube. Cet espace de combustion est en contact avec un milieu poreux assurant le transfert de la chaleur depuis l'espace de combustion vers la charge au travers de la surface émettrice de ce milieu poreux. Les gaz de combustion sont évacués de l'espace de combustion de manière à ne pas interagir avec la charge. L'énergie des gaz de combustion est en général récupérée et utilisée par le procédé lui- même (préchauffage du comburant ou du combustible) ou par d'autres procédés de l'utilisateur (production de vapeur d'eau, préchauffage de produits dans d'autres unités thermiques). Les brûleurs radiants ont trois insuffisances principales. Tout d'abord, la puissance de chauffe par unité de surface (puissance surfacique) des brûleurs radiants actuels est limitée paru la température maximale d'utilisation de la surface émettrice. Cette température ne dépasse pas 1200°C pour les tubes en alliages métalliques ou 1350°C pour les tubes en céramiques. La limitation de la puissance surfacique des brûleurs radiants a pour conséquence de limiter les capacités de transfert d'énergie entre l'espace de combustion et la charge, c'est-à-dire la vitesse de chauffe, mais également de limiter l'utilisation de ces brûleurs à des procédés dont la température est inférieure à 1250°C. En pratique les puissances surfaciques utiles des brûleurs radiants sont inférieures à 10 W/cm2, généralement de l'ordre de 2 à 5 W/cm2. Ensuite, et malgré l'utilisation de systèmes de récupération d'énergie, le rendement thermique de ces brûleurs lorsqu'ils fonctionnent à haute température est modéré et généralement compris entre 0,45 et 0,75. Enfin, à haute température, leurs émissions d'oxydes d'azote sont significatives, typiquement de l'ordre de la centaine de ppm. L'augmentation de la température de fonctionnement des brûleurs radiants est un moyen d'accroître la capacité de production d'un four donné (augmentation de la vitesse de chauffe), ou de réduire les coûts d'exploitation en substituant des éléments chauffant électriques par des brûleurs radiants. Il serait donc utile de disposer de brûleurs radiants pouvant fonctionner au-delà de 1400°C pour la température de la surface émettrice, avec un rendement thermique supérieur à 0,75 et des émissions d'oxydes d'azote de l'ordre de la dizaine de ppm. Une solution de principe, pour augmenter la température de fonctionnement des brûleurs radiant, tout en réduisant la consommation de combustible et les émissions d'oxydes d'azote, consiste à utiliser l'oxygène pur comme comburant. Cependant cette solution se confronte aux capacités limitées de transfert de chaleur entre la flamme (ou les produits de combustion) et la surface émettrice, ce qui occasionne très vite des points chauds et en pratique des problèmes de tenue en température des matériaux. La difficulté principale du développement d'un brûleur radiant industriel à haute température (température de la surface émettrice au-delà de 1400°C) réside en fait dans la capacité des matériaux à résister aux températures élevées, dans une atmosphère pouvant être localement oxydante ou réductrice, et aux chocs ou contraintes thermiques. Un problème de la présente invention est donc, pour un matériau donné, de maximiser la puissance surfacique utile du brûleur radiant. Dans ce but, l'invention concerne un brûleur radiant pour la combustion d'un gaz oxygéné et d'un combustible, comportant :
- un espace de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible,
- des moyens d'injection du gaz oxygéné et du combustible dans l'espace de distribution et de combustion, l'un des moyens d'injection créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion,
- un milieu poreux en céramique réfractaire au moins partiellement au contact de l'espace de distribution et de combustion,
- une paroi émettrice étanche aux gaz en céramique réfractaire entourant le milieu poreux, et dans lequel le nombre de moyens d'injection autres que celui créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion est compris entre 0,64(U(Sβ)1/2)0150 et 16,1(L/(S8)1/2) 62, de préférence entre 3,36(IJ(SΘ)1/2)0'50 et 12J3(L/(SΘ)1/2)0,52, L représentant la longueur de l'espace de distribution et de combustion dans la direction de l'écoulement principal et Sθ représentant la surface de la paroi émettrice. Selon l'invention, le brûleur radiant comprend un espace de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible ; cet espace correspond au lieu où se développe la flamme de la combustion. Cet espace est alimenté par le gaz oxygéné et le combustible par des moyens d'injection. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'un des moyens d'injection crée un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion. Par écoulement principal, on entend l'écoulement dirigé dans la direction dans laquelle se développe la flamme. Ce moyen d'injection créant l'écoulement principal peut être constitué de plusieurs points d'injection qui sont tous localisés au même endroit sur l'axe de l'écoulement principal, généralement à l'entrée de l'espace de distribution et combustion. Il peut s'agir du gaz oxygéné ou du combustible. L'espace de distribution et de combustion est en contact avec un milieu poreux. La fonction du milieu poreux est de transférer la chaleur de la combustion depuis l'espace de combustion vers la paroi émettrice entourant le milieu poreux, ladite paroi émettrice transférant ensuite la chaleur vers la charge à chauffer. La paroi émettrice peut être constituée d'une fine couche de matériau déposée sur la surface extérieure du milieu poreux. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, le nombre des moyens d'injection différents du moyen d'injection créant l'écoulement principal est compris entre 0,64(L/(Se)1/2) 5° et 16,1(L/(SΘ)1/2)0-52, de préférence entre 3,36(L/(Sθ)1β)0'50 et 12,3(lJ(Se)1 2)0,52, L représentant la longueur de l'espace de distribution et de combustion dans la direction de l'écoulement principal et Se représentant la surface de la paroi émettrice.JI s'agit de préférence du nombre des moyens d'injection du combustible. Ces moyens d'injection assurent la distribution continue ou discrète d'un réactif le long de l'espace de combustion. De préférence, ces moyens d'injection autres que celui créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion sont répartis de manière uniforme le long de l'écoulement principal. Cette distribution uniforme assure l'étagement de l'injection du fluide. Le nombre de moyens d'injection peut varier en fonction de la puissance d'utilisation du brûleur, afin de permettre de maintenir un niveau de température pour la paroi émettrice de façon indépendante de la puissance transférée à la charge. Selon une variante, il est possible d'injecter un prémélange du gaz oxygéné et du combustible au moyen de ces moyens d'injection différents du moyen d'injection créant l'écoulement principal. II est également avantageux que la section transverse de l'espace de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible S0 soit comprise entre (0,01 L)2 et (0.34L)2, de préférence entre (0.06L)2 et (0,20L)*. Par section transverse, on entend la section de l'espace de distribution et de combustion perpendiculaire au sens de l'écoulement principal. II est également préférable que le milieu poreux soit constitué de particules et que la dimension dp des particules soit choisi de manière à ce que : 0,005(IJ(Se)1 2)'0-48(Sc)1β< dp < 0,48( (Sθ)1/2)-°-48(Sc)1/2 avantageusement entre : 0,10(L/(Sθ)1/2)-048(S0)12< dp < 0J37(IJ(Se)1β)-°'48(So)1/2 Par dimension dp des particules, qui peuvent être de toute forme (mais de préférence sphéroïdale), on entend le diamètre volumique moyen. Selon une variante, on peut aussi utiliser à la place des particules poreuses une mousse poreuse de porosité ε avec : I / dp = (1 - ε)"13, 1 représentant la dimension des pores et ε étant supérieur ou égal à 60 %. Les matériaux composants le brûleur peuvent être par exemple la magnésie (MgO), la zircone (ZrO2), l'alumine (AI2O3), le carbure de silicium (SiC) ou encore le titanate 5 d'alumine (AI2O3TiO2). Cependant on peut aussi utiliser d'autres matériaux, pour leurs propriétés réfractaires à très haute température, tels que les oxydes de terres rares. Selon l'invention, les propriétés thermophysiques de la céramique réfractaire utilisée pour le brûleur radiant peuvent être les suivantes : - la paroi émettrice peut présenter un coefficient de dilatation inférieur ou égal à 10 20.10 ° K de préférence inférieur ou égal à 5.10"6 K - la paroi émettrice peut présenter une conductibilité thermique supérieure ou égale à 1 W/m.K, de préférence supérieure ou égale à 10 W/m.K, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 100 W/m.K, - le milieu poreux peut présenter une conductibilité thermique supérieure ou égale à 15 1 W/m.K, de préférence supérieure ou égale à 10 W/m.K, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 100 W/m.K, - la température maximale d'utilisation de la céramique réfractaire du milieu poreux peut être supérieure d'au moins 200°C à la température de la paroi émettrice pour un fonctionnement dans les conditions nominales d'exploitation du brûleur, 20 - la température de fusion de la céramique réfractaire du milieu poreux peut être supérieure d'au moins 400°C à la température de la paroi émettrice pour un cas fonctionnement dans les conditions nominales d'exploitation du brûleur, - les moyens d'injection peuvent présenter une conductivité thermique inférieure ou égale à 10 W/m.K, 25 - les moyens d'injection peuvent être en céramique réfractaire. - les moyens d'injection peuvent être à base de fibres, - la paroi émettrice peut être constituée d'un matériau réfractaire choisi parmi SiC, MOSiO2, AI2O3Tiθ2 et les matériaux fibreux à base de fibres d'alumine, - le milieu poreux peut être constitué d'un matériau choisi parmi SiC, MOSiO2l MgO, 30 - les moyens d'injection peuvent être constitués d'un matériau choisi parmi SiC, MOSiO2. - la paroi émettrice, le milieu poreux et les moyens d'injection peuvent être constitués d'un même matériau choisi parmi : SiC, MOSiO2, les matériaux fibreux à base de fibres d'alumine et AI2O3TiO2. 35 L'invention concerne également un procédé de combustion d'un combustible à l'aide d'un gaz oxygéné comprenant au moins 21 % en volume d'oxygène à l'aide d'un brûleur radiant tel que précédemment décrit. L'utilisation d'un comburant riche en oxygène, de préférence pur, permet d'obtenir un bon rendement thermique. D'une manière générale, le comburant peut être de l'oxygène pur, de l'air enrichi en oxygène ou un mélange d'oxygène, d'eau et de dioxyde de carbone préchauffé. La figure 1 illustre un brûleur selon l'invention. L'espace de distribution et de combustion 1 est alimenté par : - des moyens d'injection 2 d'un premier réactif créant un écoulement principal, alimentant l'espace de combustion 1, par exemple en oxygène, - et des moyens d'injection 3 du deuxième réactif complémentaire à celui formant l'écoulement principal, par exemple du méthane. Les gaz de combustion 7 sont éliminés de l'espace de combustion. La chaleur dégagée par la combustion dans l'espace 1 est transmise au milieu poreux 4 puis à la paroi émettrice 5 de manière à chauffer à la charge 6. Selon la figure 1, il s'agit d'un brûleur radiant cylindrique 1 où l'écoulement principal et la flamme se développent dans l'espace de combustion 2 dans la direction de l'axe AA' du brûleur. La porosité du milieu poreux 3 est variable le long du brûleur, car celui-ci comporte un matériau poreux 4 en céramique réfractaire, et des moyens 6 pour injection les gaz (l'oxygène, par exemple) de façon étagée en trois points B, C, D. Le taux de combustion est contrôlé par la géométrie du brûleur, la distance entre les points d'injection d'oxygène, et la porosité variable du milieu poreux constituant la chambre de combustion. Les réactifs peuvent si nécessaire être partiellement pré-mélangés afin de mieux contrôler le taux de dégagement de chaleur en s'affranchissant en partie du mélange des t*a réactifs. Dans ce cas, le prémélange est de préférence réalisé de manière à garantir une stœchiométrie en dehors des limites d'inflammabilité afin d'éviter la formation de suies ou des points froids lors de l'injection du combustible dans la chambre. Par mise en œuvre d'un brûleur tel que précédemment décrit, une répartition séquentielle d'au moins un des réactifs (gaz oxygéné et/ou combustible) le long du brûleur radiant est obtenue, on assure ainsi une libération prolongée des produits de combustion à haute température et on contrôle conjointement le mélange des réactifs et la diffusion de la chaleur libérée par la combustion vers la paroi émettrice. Selon l'invention, le choix d'un milieu poreux en céramique réfractaire et le nombre de points d'injection d'au moins un des réactifs permettent de limiter la température maximale à l'intérieur du brûleur, ainsi que les gradients de température (homogénéisation des températures). Les températures dans le brûleur et sur la paroi émettrice, ainsi que le profil de température de la paroi émettrice, sont en outre homogénéisés. On minimise donc les extrema et les écarts de température sur la paroi émettrice et entre celle-ci et l'espace de combustion. Le brûleur selon l'invention permet une utilisation industrielle du brûleur à une température supérieure à 1400°C. L'invention s'applique notamment aux brûleurs radiants pour des fours de fusion du verre, ainsi que dans les domaines de la vitrification, des céramiques et des matériaux ferreux et non-ferreux. Un tel brûleur donne une grande souplesse pour le contrôle du procédé verrier. Par exemple, un verrier peut maîtriser l'atmosphère du four pour l'adapter à son verre en s'affranchissant des contraintes liées à l'interaction d'une atmosphère de combustion réductrice ou oxydante avec le bain de verre. Dans le cas de la seconde fusion du plomb et de l'aluminium où il est important de ne pas produire d'oxyde de plomb (toxique) ou d'alumine (défaut de qualité), le brûleur radiant selon l'invention permet également un meilleur contrôle du procédé en autorisant des atmosphères réductrices synthétiques maîtrisées (par exemple par des mélanges azote/hydrogène). Elle trouve aussi application dans le domaine du traitement thermique, par exemple sur les lignes de recuit, en sidérurgie, où le chauffage peut être réalisé à l'aide du brûleur selon l'invention. Elle s'applique enfin aux techniques de combustion pour le chauffage, la fusion, le traitement thermique, l'incinération de produits dans des procédés industriels qui nécessitent un contrôle de l'atmosphère du procédé à des fins d'augmentation de la qualité du produit élaboré, du rendement du procédé, de réduction des émissions de polluants, de récupération ou de recyclage de sous-produits du procédé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Brûleur radiant pour la combustion d'un gaz oxygéné et d'un combustible, comportant :
- un espace (1) de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible, - des moyens d'injection (2, 3) du gaz oxygéné et du combustible dans l'espace de distribution et de combustion, l'un des moyens d'injection (2) créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion,
- un milieu poreux (4) en céramique réfractaire au moins partiellement au contact de l'espace (1) de distribution et de combustion, - une paroi émettrice (5) étanche aux gaz en céramique réfractaire entourant le milieu poreux (4), caractérisé en ce que le nombre de moyens d'injection (3) autres que celui (2) créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion est compris entre 0,64(L/(SΘ)1/2)0'50 et 16,1(L/(Se)1/2) 52, L représentant la longueur de l'espace (1) de distribution et de combustion dans la direction de l'écoulement principal et Se représentant la surface de la paroi émettrice (5).
2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de points d'injection (3) autres que celui créant un écoulement principal dans l'espace de distribution et de combustion est compris entre 3,36(L/(S8)1/2) 50 et 12,3(L/(Sβ)1/2)0'52.
3. Brûleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'injection (3) autres que celui (2) créant un écoulement principal dans l'espace (1) de distribution et de combustion sont répartis de manière uniforme le long de l'écoulement principal.
4. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section transverse de l'espace (1) de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible S0 est comprise entre (0,01 L)2 et (0.34L)2.
5. Brûleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la section transverse de l'espace (1) de distribution et de combustion du gaz oxygéné et du combustible Sc est comprise entre (0,06L)2 et (0.20L)2.
6. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu poreux (4) est constitué de particules et en ce que la dimension dp des particules est choisie de manière à ce que : 0,005(L/(Sθ)1βr°'48(Sc)1 2< dp < 0J48(lJ(Sθ)1y2)-0-48(Sc)1β
7. Brûleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la dimension dp des particules est choisi de manière à ce que : 0,10(L/(Sβ)1β)-°' S(So)1β< dp < 0l37(U(Sθ)1β)-°-48(Sc)1/2
8. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi émettrice (5) présente un coefficient de dilatation inférieur ou égal à 20.10"6 K"1, de préférence inférieur ou égal à 5.10"6 K"1.
9. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi émettrice (5) présente une conductibilité thermique supérieure ou égale à 1 W/m.K, de préférence supérieure ou égale à 10 W/m.K, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 100 W/m.K.
10. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu poreux (4) présente une conductibilité thermique supérieure ou égale à 1 W/m.K, de préférence supérieure ou égale à 10 W/m.K, encore plus préférentiellement supérieure ou égale à 100 W/m.K.
11. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température maximale d'utilisation de la céramique réfractaire du milieu poreux (4) est supérieure d'au moins 200°C à la température de la paroi émettrice (5) pour un fonctionnement dans les conditions nominales d'exploitation du brûleur.
12. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de fusion de la céramique réfractaire du milieu poreux (4) est supérieure d'au moins 400°C à la température de la paroi émettrice (5) pour un fonctionnement dans les conditions nominales d'exploitation du brûleur.
13. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection (2, 3) présentent une conductivité thermique inférieure ou égale à 10 W/m.K,
14. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection (2, 3) sont en céramique réfractaire.
15. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi émettrice (5) est constituée d'un matériau réfractaire choisi parmi SiC, MOSiO2l AI2O3Tiθ2 et les matériaux fibreux à base de fibres d'alumine.
16. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu poreux (4) est constitué d'un matériau choisi parmi SiC, MOSiO2, MgO.
17. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection (2, 3) sont constitués d'un matériau choisi parmi SiC, MOSiO2.
18. Brûleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi émettrice (5) , le milieu poreux (4) et les moyens d'injection (2, 3) sont constitués d'un même matériau choisi parmi : SiC, MOSiO2, les matériaux fibreux à base de fibres d'alumine et AI2O3TiO2.
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