FR2485692A1 - Procede et bruleur pour produire une combustion a faible teneur en oxydes d'azote des gaz d'echappement dans un tube radiant - Google Patents
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Abstract
UN TUBE RADIANT 3 CONTIENT UN BRULEUR 2 QUI POSSEDE, DANS UNE DISPOSITION CONCENTRIQUE, UNE TUYERE D'AIR EXTERNE 13, UN CERCLE DE TUYERES A GAZ COMBUSTIBLE 12 ET UNE TUYERE D'AIR INTERNE 16 POUR PRODUIRE UNE COMBUSTION REGULIERE EN DEUX PHASES SOUS DES CONDITIONS BIEN DEFINIES. L'INVENTION EST NOTAMMENT APPLICABLE A LA METALLURGIE POUR LE CHAUFFAGE DE FOURS DE RECUIT.
Description
La présente invention concerne un procédé pour produire, dans un tube
radiant, une combustion dont les gaz d'échappement ont une faible teneur en NOx, ainsi qu'un dispositif de combustion pour la mise en oeuvre de ce procédé, et elle apporte une technique pour supprimer la production d'oxydes d'azote par l'établissement d'une combustion régulière en deux phases à l'intérieur d'un tube radiant. La combustion d'un gaz combustible à l'aide d'un brûleur dans un tube radiant d'une installation de recuit est généralement une combustion intense devant se faire dans un tube étroit, ce qui a l'inconvénient que la quantité d'oxydes d'azote gazeux produite dans les gaz d'échappement est plus grande que si la combustion s'effectuait dans un four industriel ordinaire, c'est-à-dire dans un grand espace. Il est en outre difficile de réduire la teneur en NO en appliquant simplement des moyens de combustion pour x faibles teneurs en NO employés dans un four industriel ordinaire à un brûleur de tube radiant, comme il est difficile de réaliser une tuyère qui convienne pour être utilisée dans un tube radiant de petit diamètre et dont la structure puisse assurer une combustion avec une faible teneur en NO dans les gaz d'échappement. Le but x
recherche ne semble pas pouvoir être atteint en modifiant simple-
ment la structure du brûleur; en effet, on ne connait pas, jusqu'à présent, de brûleur de tube radiant capable de produire un niveau
de NOx suffisamment bas.
L'invention apporte un procédé qui ne présente pas les inconvénients indiqués ci-dessus des techniques connues et qui assure une combustion régulière en deux phases à l'intérieur d'un tube radiant pour réduire la teneur en NOx des gaz d'échappement à un niveau satisfaisant, de même qu'un dispositif de combustion pour
la mise en oeuvre de ce procédé.
L'invention part d'un procédé pour produire, dans un tube radiant, une combustion dont les gaz d'échappement ont une faible teneur en NOx, selon lequel on fait passer un flux d'air interne par un conduit d'air interne pour l'injecter par une tuyère d9air interne dans une zone de combustion secondaire, on fait passer un flux de gaz combustible sous forme d'une enveloppe tubulaire autour du flux d'air interne pour l'injecter dans une zone de combustion primaire par des tuyères à gaz combustible disposées dans le fond d'une chambre autour du conduit d'air interne, on fait passer un
flux d'air externe autour de ce flux de gaz combustible pour l'injec-
ter dans la zone de combustion primaire par un passage à la périphé-
rie de la chambre, le gaz combustible participant à une combustion
primaire avec le flux d'air externe puis à une combustion secon-
daire avec le flux d'air interne.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, on produit un jet de gaz combustible par trois à six tuyères à gaz combustible disposées dans le fond de la chambre, on assure la combustion primaire par l'ajustement du débit du flux d'air interne entre 35 et 80 % du débit total de l'air introduit et par le maintien à au moins 0,4 du rapport des énergies cinétiques du jet de gaz combustible et du flux d'air externe, et on assure la combustion
secondaire du gaz combustible ayant participé à la combustion pri-
maire par l'ajustement de la longueur du conduit d'air interne à
mm au moins.
Le dispositif de combustion pour la mise en oeuvre de ce procédé comprend un conduit d'air interne, des tuyères à gaz combustible disposées autour du conduit d'air interne, ainsi qu'une tuyère pour injecter un flux d'air externe disposée autour des tuyères à gaz combustible. Il est caractérisé en ce que le conduit d'air interne est placé au centre d'un tube radiant, porte une tuyère d'air interne à son extrémité et possède une longueur d'au moins 200 mm, en ce que le conduit d'air interne est entouré d'une chambre qui possède un fond et une paroi latérale ou bordure partant du bord périphérique du fond, en ce que trois à six conduits de gaz combustible débouchent en un cercle dans le fond de la chambre en formant les tuyères à gaz combustible et en ce que la bordure de la chambre et la paroi interne du tube radiant forment entre elles une
tuyère d'air externe.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront plus clairement de la description qui va suivre
d'exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un système de combustion
selon le procédé de l'invention, comprenant un dispositif de combus-
tion ou brûleur selon l'invention dans un tube radiant et des ap-
pareils annexes; - la figure 2a est une coupe longitudinale d'un brûleur pour tube radiant selon un exemple de réalisation de l'invention - la figure 2best une coupe transversale de ce brûleur, prise suivant la ligne II-IV' et dans le sens des flèches de la figure 2a; - la figure 3 est un graphique indiquant la teneur en NOx dans les gaz d'échappement en fonction du rapport entre le
débit d'air interne et le débit d'air total; -
- la figure.4 est un graphique indiquant la teneur en NOx dans les gaz d'échappement en fonction du nombre de tuyères à gaz combustible ou trous dans le fond de la chambre; - la figure 5 est un graphique indiquant la teneur en NOX dans les gaz d'échappement en fonction du rapport entre l'énergie cinétique du jet de gaz combustible et l'énergie cinétique du flux d'air externe; - la figure 6 est un graphique indiquant la teneur en NOX dans les gaz d'échappement en fonction de la longueur du conduit d'air interne; - la figure 7a est une coupe axiale d'un brûleur pour tube radiant selon un autre exemple de réalisation de l'invention - la figure 7b est une coupe transversale de ce brûleur, prise suivant la ligne VIIVII' et dans le sens des flèches de la figure 7a; et - la figure 8 est un graphique montrant une comparaison du brûleur pour tube radiant selon l'invention avec un brûleur pour tube radiant conventionnel en ce qui concerne la distribution
de température dans un four de recuit.
La figure 1 montre schématiquement l'ensemble d'un système pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention pour produire
une combustion avec une faible teneur en NOx dans les gaz d'échap-
pement. Ce système comprend un tuyau 1 d'alimentation en gaz com-
bustible, un brûleur 2 pour tube radiant, un tube radiant 3, un préchauffeur 4 pour l'air comburant, installé à la sortie du tube radiant, une admission d'air 5, un conduit d'air 6, un conduit de gaz d'échappement 7, un ventilateur 8 pour aspirer les gaz d'échappement, ainsi qu'une cheminée 9. Un débit donné d'air comburant est aspiré dans ce système, à travers l'admission 5, par la dépression créée par l'aspiration des gaz.d'échappement et dépendant du débit de gaz combustible; l'air comburant est
préchauffé en 4 puis envoyé par le conduit d'air 6 dans le brû-
leur 2 installé dans le tube radiant. 10 désigne un hublot per-
mettant d'observer la flamme.
Le brûleur 2 du tube radiant représenté sur les figures 2a et 2b comprend des conduits de gaz combustible 11, au nombre dé quatre ici, qui sont disposés en une couronne dans le tube radiant 3 et qui débouchent, en formant des tuyères à gaz combustible 12,
dans le fond d'une chambre annulaire 14 entourée par une bordure 14a.
Entre celle-ci et la paroi du tube radiant 3 est défini un passage de largeur donnée à la périphérie de la chambre 14. Ce passage est utilisé comme une tuyère d'air externe 13, par laquelle de l'air comburant (radialement) externe est injecté dans une zone de combustion primaire ail Dans la partie centrale,>c'est-à-dire à peu près sur l'axe de la chambre 14, est disposé en outre un conduit d'air interne 15 qui s'étend vers l'avant à partir de la
chambre, dans le sens de l'écoulement du gaz combustible et sensi-
blement sur l'axe du tube radiant. Le tube 15 est parcouru d'un flux d'air comburant interne et son extrémité avant libre forme une
tuyère d'air interne 16.
Le conduit d'air 6 est branché sur une tubulure d'arrivée d'air 19 du tube radiant 3 et V'air comburant aiisi introduit dans le tube radiant est partagé par la chambre 14 en deux courants, dont l'un, formant le flux d'air comburant externe, est injecté par la tuyère d'air externe 13 dont il a été question dans ce qui précède, et dont l'autre, formant le flux d'air comburant interne, est envoyé par le conduit d'air interne 15 et injecté dans une zone de combustion secondaire a2 par la tuyère d'air interne 16. Le rapport entre le débit d'air comburant externe et le débit d'air comburant interne est déterminé par le rapport entre les sections de la tuyère 13 et de la tuyère 16. Figure 2a montre en outre un double fond 18 formant une chambre de distribution pour introduire
le gaz combustible, arrivant par le tuyau 1, dans les conduits 11.
Comme décrit ci-dessus, la distance entre le bord avant P de la chambre 14, donc aussi de la tuyère d'air externe, et le fond de la chambre 14 est plus petite que la distance entre le bord
avant Q de la tuyère d'air interne 16 et le fond de la chambre 14.
De ce fait, le gaz combustible est brûlé d'abord par le flux d'air externe Ao dans l'espace annulaire forme entre le conduit d'air interne 15 et le tube radiant 3 et est brûlé ensuite, à partir du centre du jet de gaz combustible G, par le flux d'air interne Ac, dans la zone s'étendant au-delà du bord avant Q de la tuyère
d'air interne.
Des essais avec le brûleur pour tube radiant des figures 2a
et 2b ont donné de bons résultats. Les influences de plusieurs gran-
deurs d'un brQleur sur la formation d'oxydes d'azote et l'ajustement
de ces grandeurs pour réduire la teneur en NOX seront décrits rela-
tivement aux graphiques des figures 3 à 6.
La demanderesse a constaté que les grandeurs principales d'un brûleur pour tubes radiants devant donner une faible teneur
en NO dans les gaz d'échappement sont les quatre gandeurs sui-
vantes 1. Le rapport débit d'air interne/dêbit d'air total, c'est-à-dire le rapport Ac/(Ac+Ao), qui est fixé par les sections d'écoulement de la tuyère d'air interne 16 et de la tuyère d'air
externe 13.
2. Le nombre de tuyères à gaz combustible.
3. Le rapport entre l'énergie cinétique du jet de gaz combustible (MG) et l'énergie cinétique du flux d'air externe Ao, c'est-à-dire le rapport MG/MAo, qui est déterminé par les vitesses
du gaz combustible et de l'air externe.
4. La longueur du conduit d'air interne. Ac, donc la lon-
gueur de la zone de combustion primaire "l.
Les essais ont été effectués sur un four de recuit sous les conditions suivantes: température à l'intérieur du four 9000C, température des gaz d'échappement 9500C, température moyenne du tube radiant950 à 10000C, gaz combustible: gaz de cokerie d'une valeur calorifique de 4350 kcal/Nm, capacité du brûleur x 10 kcal/h, diamètre du tube radiant: 6B (selon une norme industrielle japonaise), température de l'air préchauffé 350 à 4000C, excès d'oxygène: 2 à 3 %. Pendant les essais, en plus de la mesure de la teneur en NO, la flamme du brûleur a été observée à l'oeil nu par le hublot 10, installé en un point du tube radiant se trouvant à l'opposé du brûleur, en vue de l'examen, dont les, résultats sont indiqués ci- après, de relations entre l'état de
la flamme et le comportement de combustion du gaz combustible.
Les graphiques des figures 3 à 6 montrent l'influence des grandeurs indiquées ci-dessus sur la formation de NO et sur le comportement de combustion du gaz. Comme on peut le voir sur la figure 3, lorsque le rapport de débit d'air interne (rapport Ac), c'est-à-dire le rapport Ac/(Ac+Ao), est compris entre 35 et 80 5%, on obtient une combustion avec une faible teneur en NO dans les x gaz d'échappement. Si le rapport Ac n'est pas supérieur à 30 %, le gaz combustible est brûlé rapidement avec une flamme bleue dans la zone de combustion primaire c1 et la combustion secondaire par
le flux d'air interne Ac n'est pas régulière; la combustion régu-
lière en deux phases que l'invention vise à produire n'est donc pas entièrement réalisée. Si le rapport Ac est au contraire supérieur à 80 %, il se produit une très faible combustion dans la zone de combustion primaire a1 et la majeure partie du gaz combustible est brûlée dans la zone de combustion secondaire a2 par le flux d'air interne Ac, ce qui donne une flamme bleue au centre et rouge dans la zone périphérique. Si le rapport Ac est compris entre 35 et 80 %, on obtient une combustion avec une faible teneur en NO dans les gaz d'échappement et la flamme a la forme d'une nappe mince. Le gaz combustible est dans ce cas mélangé convenablement avec l'air dans la phase de combustion primaire, par le flux d'air externe Ao, et dans la phase de combustion secondaire, par le flux
d'air interne Ac.
La figure 4 indique la relation entre le nombre de trous
d'arrivée de gaz de combustion dans le fond de la chambre 14, c'est-
à-dire le nombre de tuyères à gaz 12, et la teneur en NOx dans les gaz d'échappement. On voit que la teneur en NO est fortement influencée par le nombre de tuyères à gaz 12. Si ce nombre est de 3 à 6, on peut obtenir une combustion avec une faible teneur en NOX dans les gaz de combustion. La flamme a été observée également au cours d'essais avec deux respectivement huit tuyères à gaz. Avec deux tuyères, des régions rouges riches en gaz et des régions bleues riches en air coexistent dans la zone périphérique de la flamme. Avec huit tuyères à gaz, il se forme une flamme d'un bleu profond dans la région périphérique de la zone de combustion -primaire al, c'est-à-dire dans la région o s'effectue le début
de la combustion du gaz combustible par le flux d'air externe Ao.
Cela signifie que, pendant l'emploi de deux tuyères à gaz, le gaz combustible qui en est issu n'est pas distribué uniformément autour du conduit d'air interne 15 et des régions à forte teneur en O2 sont formées à la fois dans la zone de combustion primaire a1 et dans la zone de combustion secondaire a2, ce qui se traduit dans les deux zones par une forte formation d'oxydes d'azote. En revanche, pendant l'emploi de huit tuyères à gaz, la distribution du gaz combustible est suffisante et une grande quantité de gaz combustible est mélangée dans la zone de combustion primaire a1
avec le flux d'air externe Ao. On obtient de ce fait une combus-
tion primaire uniforme dans le sens périphérique dans la zone de combustion primaire a1 et une faible teneur en NO des gaz
d'échappement peut être obtenue.
On voit sur les graphiques des figures 3 et 4 que le brûleur pour tube radiant selon l'invention du type de la figure 2a permet
une combustion avec une faible teneur en NO dans les gaz d'échap-
pement, par une combustion primaire par l'air externe Ao dans la zone c1 et une combustion secondaire par l'air interne Ac dans la
zone a2 qui se déroulent en douceur en deux phases et avec forma-
tion d'une flamme rougeâtre-pourpre uniforme en nappe mince, si le rapport Ac est de 35 à 80 %/ et si le nombre de tuyères à gaz
est d'au moins 3 et, de préférence, de 6 au maximum.
Une autre grandeur déterminant la combustion du gaz dans la zone de combustion primaire a1 est le rapport NIG/IIo, dans lequel MG représente l'énergie cinétique du jet de gaz combustible et MAo représente l'énergie cinétique du flux d'air externe. L'influence de ce rapport sur la combustion est illustrée par le graphique de la figure 5. En cas d'utilisation d'un brûleur dans lequel les tuyères à gaz de combustion et les tuyères d'air sont disposées concentriquement, comme c'est le cas ici, la flamme est d'autant plus courte que le rapport MG/11Ao est petit. Si ce rapport n'est pas inférieur à 0,40, la teneur en NO des gaz d'échappement est faible. Si ce rapport n'est pas inférieur à 0,45, les oxydes d'azote dans les gaz d'échappement sont pratiquement saturés, leur teneur est faible et la flamme est uniforme et d'aspect rougeâtre-pourpre. Bien entendu, la longueur e du conduit d'air interne a une grande influence sur le déroulement de la combustion primaire et de la combustion secondaire. Cette influence est illustrée par le graphique de la figure 6. Si cette longueur n'est pas inférieure à 200 mm, la teneur en NOx des gaz d'échappement est faible. Surtout lorsqu'elle n'est pas inférieure à 250 mn, les oxydes d'azote sont présents à l'état saturé dans les gaz d'échappement et leur teneur est faible. En revanche, lorsque la longueur de conduit tAc ne
dépasse pas 150 mm, il se forme une flamme bleue effilée.
Ce n'est donc que lorsque les grandeurs mentionnées cor-
respondent aux valeurs indiquées que la combustion dans le tube radiantpeut se faire avec une faible teneur en NO dans les gaz d'échappement. Par exemple, il a été possible, grâce à l'invention, d'obtenir une teneur en NO inférieure d'au moins 30 % à la teneur x en NOx obtenue avec un brûleur pour tube radiant conventionnel, comme il ressort de la figure 3, o l'on voit que la teneur en NOx réalisée avec le brûleur selon l'invention n'est que d'environ ppm avec un gaz de cokerie, lequel constitue, parmi plusieurs combustibles, celui présentant la plus forte teneur en NO dans x
les gaz d'échappement.
Les figures 7a et 7b représentent un autre exemple de réa-
lisation d'un brûleur pour tube radiant selon l'invention. Ce brû-
leur possède un collet 20 de retenue ou d'étranglement sur le côté arrivée d'air (côté amont) de la tuyère 13 pour l'injection du flux d'air externe Ao. De cette manière, le rapport Ac (rapport entre le débit d'air interne et le débit d'air total) est accru puisqu'il est fixé maintenant par le rapport entre la section d'écoulement du conduit 15 et la section d'écoulement du passage restreint 21 entre le collet 20 et le tube radiant 3. La présence du collet 20 ne perturbe pas l'écoulement régulier de l'air externe le long de la chambre 14, mais l'étranglement produit par lui augmente également le rapport des énergies cinétiques MIG/MAo
(graphique de la figure 5). La prévision du collet 20 a l'avan-
tage que le gaz combustible peut être introduit dans la zone de combustion primaire ai à une faible vitesse et sous une faible pression. Pendant les essais pratiques, la même basse teneur en NOx a été obtenue avec une pression de gaz combustible de 250 mm de colonne d'eau dans la partie considérée du brûleur de la figure 2a et avec une pression de gaz de 150 mm de colonne d'eau dans la
partie considérée du brûleur de la figure 7a.
Dans les deux brûleurs, celui de la figure 2a et celui de la figure 7a, la bordure 14a de la chambre 14 stabilise le flux d'air externe Ao; cependant, si cette bordure est trop longue, elle stabilise aussi le flux de gaz combustible et elle agit
en même temps à la façon d'une tuyère qui diminue l'énergie ciné-
tique de ce flux gazeux, donc aussi le rapport MG/IAo. Pour cette
raison, la bordure 14a du brûleur de la figure 2a possède de pré-
férence une longueur égale ou supérieure à 50 mm, tandis que la longueur de la bordure 14a du brûleur de la figure 7a possède de
préférence une longueur de 4 à 5 mm.
Bien que les brûleurs pour tube radiant décrits ici soient du type à aspiration, comme décrit relativement à la figure 1, un brûleur selon l'invention peut également être du type à tirage forcé, dans lequel l'air comburant est soufflé vers le brûleur, avec obtention de la même action favorable quant à la faible teneur en NO x Le graphique de la figure 8 montre une comparaison d'un brQleur pour tube radiant selon l'invention avec un brûleur pour tube radiant conventionnel pour ce qui concerne la distribution de température dans un four de recuit. On voit sur ce graphique que le brûleur selon l'invention produit une distribution de
température plus uniforme dans le four de recuit, que sa tempé-
rature maximale est plus basse et que la température de ces gaz
d'échappement est en outre inférieure d'environ 50OC en comparai-
son avec le brûleur conventionnel. La température plus basse des gaz d'échappement signifie que le coût du combustible est plus bas; l'emploi du brûleur pour tube radiant selon l'invention a
en effet permis une économie d'énergie de 2,5 %.
Pendant la-combustion de gaz combustible dans les conditions décrites dans ce qui précède par un brûleur selon l'invention, la teneur en NOx dans les gaz d'échappement était de 30 à 40 % plus
basse que la teneur en NOx des gaz d'échappement du brûleur conven-
tionnel.
Claims (4)
1. Procédé pour produire une combustion avec une faible teneur en NO des gaz d'échappement dansun tube radiant, selon lequel on fait passer un flux d'air interne (Ac) par un conduit d'air interne(15)pour l'injecter par une tuyère d'air interne (16) dans une zone de combustion secondaire(a2), on fait passer un flux de gaz combustible sous forme d'une enveloppe tubulaire autour du
flux d'air interne-pour l'injecter dans une zone de combustion pri-
maire (a") par des tuyères à gaz combustible (12) disposées dans le fond d'une chambre (14) autour du conduit d'air interne (15), on fait passer un flux d'air externe (Ao) autour de ce flux de
gaz combustible pour l'injecter dans la zone de combustion pri-
maire (ai) par un passage à la périphérique de la chambre (14), le gaz combustible participant à une combustion primaire avec le flux d'air externe puis à une combustion secondaire avec le flux d'air interne, caractérisé en ce que l'on produit un jet de gaz combustible (G) par trois à six tuyères à gaz combustible (12) disposées dans le fond de la chambre (14), on assure la combustion primaire par l'ajustement du débit du flux d'air interne (Ac) entre 35 et 80 % du débit total (Ac+Ao) de l'air introduit et par le maintien à au moins 0,4 du rapport (MG/MAo) des énergies cinétiques du jet de gaz combustible (G) et du flux d'air externe (Ao), et on assure la combustion secondaire du gaz combustible ayant participé à la combustion primaire par l'ajustement de la longueur (A) du
conduit d'air interne (15) à 200 mm au moins.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que
l'on dispose un collet de retenue ou d'étranglement (20) radiale-
ment en saillie sur la paroi latérale exterieure ou bordure (14a) de la chambre (14) pour ajuster le débit du flux d'air externe (Ao)
et stabiliser ce flux d'air afin de produire une combustion pri-
maire régulière du gaz combustible par ce flux d'air externe
stable.
3. Dispositif de combustion ou brûleur pour tube radiant, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant un conduit d'air interne, des tuyères à gaz combustible disposées autour du conduit d'air interne, ainsi qu'une tuyère pour injecter un flux d'air externe disposée autour des tuyères à gaz combustible, caractérisé en ce que le conduit d'air interne (15) est placé au centre d'un tube radiant ô), porte une tuyère d'air interne (16) à son extrémité et possède une longueur(Ab)d'au moins 200 mm, en ce que le conduit d'air interne (15) Ac est entouré d'une chambre (14) qui possède un fond et une paroi latérale ou bordure (14a) partant du bord péripherique du fond, en ce que trois à six conduits de gaz combustible (11) débouchent en un cercle dans le fond de la chambre (14) en formant les tuyères à gaz combustible (12) et en ce que la bordure (14a) de la chambre et la paroi interne du tube radiant(3) forment entre elles une
tuyère d'air externe (13).
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un collet de retenue ou d'étranglement (20) fait radialement saillie
de la bordure (14a) de la chambre (14).
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