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La présente invention concerne des perfectionnements apportés à un brûleur à
flamme plate destiné à l'équipement de fours de réchauffage, de maintien, ou
de traitement thermique, en particulier de produits sidérurgiques, afin
d'abaisser de façon notable sa production de NOx.
Afin de bien faire comprendre le domaine technique auquel s'appliquent les
perfectionnements objet de la présente invention, ainsi que l'état de la
technique correspondant, on se réfère en premier lieu aux figures 1 à 4 des
dessins annexés qui illustrent respectivement :
- la figure 1 : une vue schématique en coupe axiale longitudinale d'un
four de réchauffage de produits sidérurgiques de type connu ;
- la figure 2 : une vue schématique en coupe axiale verticale d'un
exemple de réalisation d'un brûleur en voûte, suivant l'état antérieur de la
technique pouvant être monté dans un four selon la figure 1,
- la figure 3 : une vue schématique en coupe axiale verticale d'une
variante de brûleur en voûte, selon l'état de la technique pouvant être mise
en
oeuvre dans le four objet de la figure 1 et,
- la figure 4: également une vue schématique en coupe axiale verticale
d'un brûleur à flamme plate selon la technique antérieure, conçu de façon à
obtenir une réduction de la quantité de NOx produite par ce brûleur.
La figure 1 illustre donc un exemple de réalisation d'un four de réchauffage
de
produits sidérurgiques à chauffage inférieur et supérieur. Les produits à
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réchauffer désignés par la référence 1 sont supportés et transportés à
l'intérieur du four par un système de longerons fixes et mobiles 2 et 3. Les
longerons mobiles sont déplacés selon un mouvement à cycle rectangulaire
grâce aux actions conjuguées d'un châssis de translation 4 et d'un châssis de
levage 5, selon une disposition bien connue de l'homme de l'art. Le four est
réalisé sous la forme d'une enceinte 6 calorifugée sur laquelle sont disposés
des brûleurs à longue flamme 7 ainsi que des brûleurs à flamme plate 8
implantés sur la voûte du four. La présente invention concerne des
perfectionnements qui sont apportés aux brûleurs à flamme plate 8.
Les figures 2 et 3 illustrent deux exemples de réalisation de brûleurs en
voûte
selon la technique antérieure.
Sur la figure 2, on a schématisé en 9, le tunnel de combustion d'un brûleur
qui
présente une ouverture évasée dont la forme est sensiblement en quart de
cercle de façon à propager la veine d'air et la flamme du brûleur suivant le
profil du tunnel de combustion, par effet Coanda et le long du plan P de la
voûte. Le brûleur est alimenté en air de combustion, préchauffé ou non, par
une conduite d'alimentation 10 et cet air est distribué dans le corps du
brûleur
au travers d'orifices 11 percés dans le distributeur d'air, qui provoquent la
mise
en rotation l'air de combustion afin d'obtenir une circulation hélicoïdale de
cet
air autour de la canne d'injection du carburant 12. Cette dernière est située
dans l'axe du brûleur afin d'amener le ou les carburants dans une zone propice
à l'obtention d'un bon mélange avec l'air de combustion. L'introduction du ou
des carburants est réalisée au travers d'un ou d'orifices 14 de manière à
obtenir l'écoulement schématisé par la flèche 15 sur cette figure 2.
Un plateau 13 est prévu à l'extrémité d'injection de la canne 12, ce plateau
13
ayant pour fonction de forcer l'air de combustion à venir se plaquer sur la
paroi
interne du tunnel de combustion 9 afin de favoriser la formation d'une flamme
plate et de créer un vortex d'aspiration des fumées au nez du brûleur. Sur la
figure 2, la flèche 16 schématise ce vortex. Les gaz de combustion situés dans
l'enceinte du four sont donc recirculés au nez du brûleur par induction du
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vortex 16 créé par la circulation à haute vitesse du mélange air/gaz issu du
brûleur. La flamme issue de ce mélange air-gaz se développe suivant 17, en
suivant le profil du tunnel de combustion 9 et le plan P de la voûte du four.
Selon l'état antérieur de la technique (figure 3) les brûleurs en voûte
peuvent
également être munis de cannes doubles d'injection de carburant 18 et 19.
présentant des orifices d'injection respectivement 20 et 14. Ce type connu de
brûleur est similaire par ailleurs au brûleur objet de la figure 2, la double
canne
d'injection permettant d'utiliser deux types différents de carburant.
L'injection
io unique du carburant par l'intermédiaire des orifices 20 peut être mis en
oeuvre
par exemple lors de la phase d'allumage du brûleur en autorisant un meilleur
accrochage de la flamme aux bas débits de carburant, en particulier lorsque la
température de l'enceinte du four est inférieure à 750 C (pas d'auto
inflammation du mélange).
Jusqu'à un passé récent, l'état antérieur de la technique du brûleur à flamme
plate illustré par les figures 2 et 3 présentait des solutions techniques
satisfaisantes en matière de contrôle de la géométrie de la flamme et de la
distribution des flux thermiques. L'optimisation de la technique selon l'état
2o antérieur de l'art était effectuée entièrement suivant des critères de
combustion, en vue d'obtenir une flamme intensive de forme appropriée. Dans
cet approche, l'émission de polluants, en particulier de NOx était considérée
comme secondaire.
L'évolution des réglementations locales, européennes ou mondiales a imposé
aux exploitants de réduire les émissions de NOx de leurs installations. Les
recherches en matière de conception de brûleurs ont intégré cette contrainte,
en particulier pour les brûleurs à flamme plate, générateurs de quantités
beaucoup plus importantes de NOx que les brûleurs à flamme longue, et qui
ont fait l'objet d'importantes recherches et de nombreux perfectionnements
dans le but de limiter leurs rejets.
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On sait que la production des NOx dans une flamme dépend de sa température
et de la pression partielle d'oxygène dans la zone réactionnelle de cette
flamme. Il est notamment connu que la quantité de NOx produit augmente de
façon importante pour des températures de flamme supérieures à 1 200 C.
Toutes les recherches en vue de la réduction des NOx produits ont donc été
menées de manière à réduire la température de la flamme du brûleur et
d'augmenter son volume de zone réactionnelle, en particulier par sa dilution
avec les produits de combustion contenus dans l'enceinte du four et recirculés
au nez du brûleur.
Sur la figure 4 des dessins annexés, on a représenté un brûleur, selon l'état
antérieur de la technique, conçu de façon à réduire la quantité de NOx
produite. Dans ce type de brûleur, le carburant est injecté très en sortie du
tunnel de combustion du brûleur, dans le vortex 16 des produits de
combustion. Le brûleur comporte une canne d'injection de carburant située
selon son axe et qui débouche dans le tunnel de combustion par l'intermédiaire
d'un certain nombre d'injecteurs radiaux 14. Par ce moyen, le carburant est
injecté radialement à grande vitesse, au travers desdits injecteurs 14, dans
l'air
de combustion, au niveau du tunnel dans une zone où l'air de combustion se
2o dilue avec les gaz de l'ambiance du four. Cette injection de carburant à
grande
vitesse par un nombre réduit d'injecteurs radiaux, réalise en outre une
partition
de la flamme en plusieurs petites flammes de combustion moins intensive
et dont le volume total est augmenté par rapport à une flamme unique.
Partant de cet état de la technique, la présente invention se propose
d'abaisser
le taux de NOx produit par des brûleurs à flamme plate, en utilisant le
principe
de la dilution de la flamme en vue de réduire sa température et d'abaisser la
pression partielle d'oxygène dans sa zone réactionnelle.
Ce problème technique est résolu par un brûleur à flamme plate comportant au
moins une canne d'injection de carburant disposée selon l'axe du corps du
brûleur et une alimentation en air de combustion, ce brûleur étant caractérisé
en ce que l'introduction du carburant s'effectue par l'intermédiaire de la ou
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desdites cannes d'injection, par un ou plusieurs orifices axiaux situés dans
un
plan proche du plan externe du tunnel de combustion, dans les produits de
combustion afin de réaliser une première dilution du carburant dans ces
produits de combustion et en ce que le mélange carburant plus produits de
5 combustion ainsi obtenu est encore dilué dans l'air de combustion.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront
de
la description faite ci-après, en référence à la figure 5 des dessins annexés
qui
en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif.
Cette figure 5 est une vue schématique en coupe axiale verticale d'un brûleur
io perfectionné selon l'invention.
Ainsi qu'on le comprend et comme mentionné ci-dessus, le brûleur objet de
l'invention utilise le principe de la dilution de la flamme afin de réduire sa
température et d'abaisser la pression partielle d'oxygène dans sa zone
réactionnelle. Cette dilution de la flamme est réalisée avec les produits de
combustion situés dans l'enceinte du four. Le caractère d'originalité de la
présente invention réside dans le fait que l'introduction du carburant
s'effectue
en deux étapes de manière à obtenir une double dilution : une première
dilution du carburant avec les produits de combustion du four puis une
2o deuxième dilution du mélange carburant plus produits de combustion ainsi
obtenu avec l'air de combustion.
L'exemple de réalisation de l'invention illustré par la figure 5 comporte un
système de double alimentation en carburant. Il s'agit là d'un exemple non
limitatif, les perfectionnements selon la présente invention pouvant être mis
en
oeuvre sur un brûleur à alimentation unique en carburant. On retrouve sur ce
brûleur, le tunnel de combustion 9, l'alimentation 10 en air préchauffé ou
non,
distribué dans le corps du brûleur par les orifices 11, le système de cannes
doubles d'injection de carburant 18 et 19, l'injection s'effectuant selon
l'axe du
3o brûleur.
Selon l'invention, l'introduction du carburant s'effectue par l'intermédiaire
d'un
ou de plusieurs orifices axiaux dont sont munis les cannes d'introduction
telles
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que 18 et 19 ce qui permet d'effectuer une alimentation de carburant avec une
impulsion faible. La ou les cannes d'injection de carburant 18 et 19 sont
réalisées dans des matériaux résistant aux températures élevées, notamment
des matériaux réfractaires, tels que des aciers au chrome ou au nickel ou des
céramiques.
L'introduction axiale du carburant (flèche 21) au travers d'un ou de plusieurs
orifices d'injection axiaux 25 de la canne 19, qui, selon l'invention sont
situés à
proximité immédiate du plan de développement de la flamme, s'effectue dans
lo les produits de combustion (flèche 22) de l'ambiance du four, ce qui permet
de
réaliser la première dilution. Cette dilution étant favorisée par le
positionnement des orifices 25 permettant de réaliser le prémélange du
carburant avec les gaz de combustion recirculés au nez du brûleur. Le ou les
orifices d'injection axiaux du carburant 25 sont de diamètre important de
manière à limiter l'impulsion du carburant pour réaliser le mélange avec les
gaz
de combustion. Cette faible impulsion . ne perturbe pas le vortex de
recirculation des produits de combustion induits au nez du brûleur par l'air
de
combustion, à la différence de l'injection radiale à haute impulsion qui
coupe le vortex et perturbe cette recirculation.
Le mélange carburant-gaz de combustion ainsi obtenu, schématisé par la
flèche 23 sur la figure 5 est entraîné par le vortex existant au nez du
brûleur
puis il est dilué avec l'air de combustion (flèche 24) lui même dilué avec une
partie des produits de combustion (flèche 22) recirculés au nez du brûleur.
Ainsi, le brûleur objet de la présente invention permet de réaliser une double
dilution du carburant et des produits de combustion, de l'air de combustion et
des produits de combustion et de réaliser enfin le mélange des deux
prémélanges dilués. Cette optimisation du mélange air de combustion +
carburant + produits de combustion permet d'obtenir une flamme plate non
intensive qui limite les émissions de polluants en particulier de NOx , cette
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diminution pouvant atteindre un rapport supérieur à 2, par rapport à un
brûleur
du même type, selon la technique antérieure.
Ainsi qu'on l'a illustré par la figure 5, le brûleur selon la présente
invention peut
conserver la double alimentation en carburant, avec des injections
s'effectuant
à des niveaux différents dans le tunnel de combustion 9 afin de contrôler le
mélange entre le ou les carburants, l'air de combustion et les gaz de
combustion recirculés au nez du brûleur. Les deux cannes d'injection de
carburant peuvent être utilisées séparément ou simultanément avec une
io répartition des débits de carburants entre les deux injections de manière à
contrôler la forme de la flamme, la qualité du pré-mélange et l'émission des
polluants.
L'une des cannes d'injection peut être utilisée pour le démarrage du brûleur,
par exemple quant la température du four est inférieure à 700 C pour obtenir
un meilleur accrochage de la flamme, l'autre pouvant être utilisée en régime
continu pour la réduction du taux de polluants produits.
L'invention permet donc de résoudre le problème de la réduction du taux de
2o NOx produit par un brûleur à flamme plate en assurant une combustion du
carburant dans un grand volume (mélange air de combustion, carburant,
produits de combustion du four) qui permet de réaliser une flamme de
température plus faible dont la zone réactionnelle présente une réduction de
pression partielle d'oxygène.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux modes
de mise en oeuvre décrits et/ou mentionnés ci-dessus mais qu'elle en englobe
toutes les variantes.
