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B. LEROUX

Brûleurs Industriels

Jeudi 3 Juin 2010, 11h00 – 12h30

Brûleurs industriels

Bertrand LEROUX

Coordinateur du réseauALTEC Combustion

Ecole de Combustion 2010Porticcio, 28 mai - 3 juin 2010

2010 2AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL

Introduction

La combustion est partout dans l’industrie


Introduction

Brûleur bien maîtrisé en adéquation avec le procédé etavec son environnement = avantage compétitif


Et si demain vous deviez faireun brûleur industriel?

Quelques principes qu’il est bon d’avoir en tête avant decommencer…

Quelques exemples de brûleurs que vos ainés ont déjàpu concevoir…

pour produire du verre ou du cimentpour fabriquer des tôles d’acierpour produire de l’hydrogènepour alimenter une chaudière de cogénération

A vous de jouer!combustion sans flammenouvelles perspectives pour l’oxy combustioncombustibles alternatifs








Un élément d’un système à plusieurscomposantes

Skid*

Combustible

Echangeur

Oxydant

Systèmedépollution

Charge

Brûleur

Four

D’après Baukal (2004), Industrial burners handbook* Panoplie de distribution des fluides


Donner sa chance au produit (1)…

Des niveaux de températures différents selon l’application

T (K)20001000500300

D’après Baukal (2004), Industrial burners handbook

Glass making

Cement making

Steel makingSteel forming

Steel heat treating

Al heat treating Al melting

Meatsmoking

BreadBaking

CoffeeRoasting

Steamgeneration

Brick making


Donner sa chance au produit (2)…

Quelques paramètres à prendre en compte pour lacharge

Milieux opaques / Milieux transparents?

Propriétés chimiques et physiques de la charge?

Mode d’apport des matières premières?

Qualité souhaitée du produit? Temps de résidence?

D’après TNO Glass Trend Course (2002)


Ne pas négliger l’enceinte…

Quelques paramètres à prendre en compte pour le fourou la chaudière

Four batch / continu / semi-continu

Géométrie

“Profil de feu” – Choix de la répartition d’énergie – Choix dupositionnement des brûleurs

Propriétés des matériaux composant le four (réfractaires -alliages)

Four réverbère pour la refusion d’aluminium Four de verre


Les ingrédients…

Le combustibleGaz naturelFioul léger – fioul lourdMélanges H2 / COHydrogèneAcétylèneLa charge à traiter…

L’oxydantAir froid – préchauffé à 700°C ou 1200°CAir enrichi en O2 jusqu’à O2 purOxydant appauvri en O2 (post-combustion / recirculation des

fumées)

Attention à l’approvisionnement!Pression disponible…Qualité des réactifs…


Des rejets à considérer…

Principaux polluantsCO2

NOx

SOx

Particules

Métaux lourds

Dioxines - furanes


Et enfin le brûleur…

Principales composantes

Bloc

Partiesmétalliques

Contrôle

Organes desécurité

Systèmed’allumage








Exemples de brûleurs pour le verre (1)

Quelques exemples de compositions du verre

7.3----0.3

----0.20/3----4.317.70.314.855.2E glass

0.5------------1.512.5----0.990.52.572A glass

1.325.2--------13.11.3------------0.02----58.5Lead

0.8----5.8

----2.314.91.3--------0.056.159.9Lighting

12.3------------0.34.5--------0.10.072.680.2Borosilicate

------------0.30.812.83.88.20.11.472.8Flat

--------------------15.1----2.18.40.961.172Green

------------0.03113.8--------100.221.972.7Amber

------------0.20.513.7----0.1110.051.672.6Flint cont

B2O3PbOF2SO3K2ONa2OBaOMgOCaOFe2O3Al2O3SiO2Glass



Quelques exemples de compositions de verre

Particularités de la chargeEnergie de fusion importante

Matériau semi-transparent

Approvisionnement continu de la matière première (dont unecertaine quantité de rebut recyclé)



Fours “cross-fired” à régénérateurs

Brûleur DeNOx (STG)



Fours “side-fired” à récupérateurs

Fours “side-fired” tout oxygène

Brûleur ALGLASS FC VM (AL)



Quelques points de vigilance pour le choix de latechnologie brûleur

Efficacité du transfert

Gestion du point chaud pour une

bonne circulation du verre

Interactions entre les flammes

Mousse

Niveaux de NOx

Envol des poussières

Volatilisation des composés alcalins

Température de voûte - Corrosion

Choix des réfractaires pour les blocs

Reboil

Etat redox du verre

NO

x(k

g/t

of

gla

ss

)


Exemples de brûleurs pour le ciment (1)

Procédé de fabrication1ère étape : préchauffage et

précalcination

2ème étape : cuisson du clinker


Exemples de brûleurs pour le ciment (2)

Exemple de brûleur dans le four rotatif

Quelques points de vigilanceFuels de type et de PCI variablesNiveaux de températureNiveaux d’oxydation au-dessus du calcinEmissions CO2

Brûleur ROTAFLAM (Pillard)


Exemples de brûleurs pour la métallurgie (1)

Chaîne de fabrication de l’acier

Laboratories

Heat treatment

Industrial customers

Large Industries

Laboratories

Heat treatment


Large Industries



Fours à arc électrique

Utilisation combinée d’énergie électrique et d’énergiefossileQuelques points de vigilance

Fusion des rebuts avec le maximum d’efficacitéOxyder le carbone présent et non le FerLimiter la « consommation » des électrodesAugmenter la durée des réfractaires



Brûleurs multi-fonction pour fours à arc électrique

Trois modes de fonctionnement possibles en fonction dela phase de fusion

Mode brûleur

Mode brûleur + lance O2 Mach1

Lance O2 Mach 2 + Injection de Carbone

Technologie Pyrejet (ACI)


Schematic run of EAF

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Time

MW

0

5

10

15

20

25

30

35

40

MW

h

Burner (total power)

Electrical energy

First basket melting Second basket meltingLoading

refining


+ Injection C



Chaîne de fabrication de l’acier

Laboratories

Heat treatment


Large Industries

Laboratories

Heat treatment


Large Industries



Fours de réchauffage (exemple de boosting sur un four debillets)

Billet outlet

Ambient air

Preheated air

Heat exchanger

Billet inlet

soak main preheat

recovery

Oxyfiredzone

Charging zoneDischarging androlling mill



Quelques points de vigilance pour le réchauffageHomogénéité du flux thermique émis par la flamme

Stabilité de la flamme

Réduire la formation de scale

Niveaux de NOx

Exemples de brûleurs aéro

Exemples de brûleurs oxyBrûleurs régénératifs (Bloom)

Brûleur étagé (Hauck)

Brûleurs ALROLL (AL)


Exemples de brûleurs pour produire de l’H2 (1)

Utilisation de l’hydrogène aujourd’hui

95% de la production par réformage d’hydrocarbures

CH4 + H2O CO + 3H2 (+206 kJ/mol)

CO + H2O CO2 + H2 (water-gas-shift, WGS, -41 kJ/mol)

50%

37%

8%1% 4%

Ammoniac

Raffineries

Méthanol

Espace

Autres

Réacteur ATR

ATR & POX

- T : 900 à 1000 °C- P : jusqu’à100bars- H2O/C mini : 0.6- Catalyseur Ni

Tube SMR- T : 750 à 850 °C- P : 30-40 barsmax- H2O/C mini : 2.5- Catalyseur Ni

SMR



Procédé SMR : plusieurs configurations possibles

Profils de flux et de température vus par les tubes

(d’après Dybkjaer (1995))

(d’après Dybkjaer (1995))



Quelques exemples de brûleurs SMR « Side fired »

Points de vigilance pour un brûleur SMR « Side-fired »Pas de projection de flamme vers les tubes

Température importante du bloc brûleur pour un meilleur transfertvers les tubes

Problèmes éventuels de bouchage - maintenance

Walrad burner (Hamworthy) FPMR burner (John Zinc)



Points de vigilance pour un brûleurATR

Longueur de flamme courte

Refroidissement du nez brûleur

Distribution uniforme des espèces etde T à l’entrée du lit catalytique

Eviter des vitesses de gaz tropimportantes au-dessus du litcatalytique

Eviter le « métal dusting » dansl’enceinte : réaction de Boudouard2CO < - - - > C + CO2

CTS burner (Haldor Topsoe)

O2 (250°C)

HC + H20

(550°C)


Exemples de brûleurs pour la cogénération (1)

Exemple d’une usine decogénération au Canada

80MWe120t/h de vapeur

Brûleur de conduite installé ensortie de turbine

bénéficier d’une énergiesupplémentaire pour la productionde vapeurback-up si arrêt de la turbine

Spécificités de la combustionOxydant : O2 résiduel des

fumées de turbineTempérature élevée de

l’environnement brûleurCombustible : gaz naturel ou

différents types de fioul


Exemples de brûleurs pour la cogénération (2)

Quelques exemples de brûleurs de conduite

Points de vigilance pour le design brûleurFormation de suie - Bouchage des injecteurs

Stabilité de flamme

Résistance mécanique et thermique des pièces métalliques

Large gamme de fonctionnement en terme de puissance tenantcompte de :

• Uniformité de l’écoulement d’oxydant

• Concentration en O2 dans l’écoulement d’oxydant

John Zinc duct burner Coen duct burner








Les défis pour demain et après-demain

TechnologiquesDévelopper des brûleurs plus efficaces et moins polluants

Améliorer les capteurs et le contrôle des brûleurs

Encourager la récupération d’énergie dans les procédés

Développer des alliages et des réfractaires plus résistants

Energétiques et EnvironnementauxRéduire les émissions de polluants de 90% d’ici 2020

Réduire les émisssions de CO2 aux niveaux arrêtés par laCommunauté Internationale

Liés aux choix de combustiblesBrûleurs Multi-combustibles

Développer les possibilités d’utilisation des combustibles alternatifs

EconomiquesRéduire le coût de fabrication des brûleurs

Adapter l’offre aux nouveaux marchés

D’après un rapport du DOE (« Industrial Combustion Vision », Mai 1998)


Combustion sans flamme

Principe

Principales spécificitésPas de flamme visible

Pas de pic de température

Transfert homogène

Bas NOx

(d’après Wünning J.G. (2003), Thermprocess 2003)


Combustion sans flamme (2)

Applications en métallurgie

Applications en verrerieRemplacement de brûleurs

standards par des brûleurs FLOXpour un four à récupérateur(OSRAM, verre pour éclairage)

• -50% NOx

(d’après Wünning J.G. (2003), Thermprocess 2003)

FLOX burner in ceramicradiant tube for silicon steelstrip line (WS Inc)


Oxy combustion avec récupération d’énergie

Réduire de 10% la consommation énergétique enpréchauffant combustible et oxygène

en toute sécurité

avec des coûts d’investissements compétitifs



Valider l’utilisation d’alliages spécifiques pour O2 chaud

Développer les technologies adéquates

2µm 2µm 2µm 2µm 2µm 2µm



2mm 2mm 2mm 2mm 2mm 2mm

ALGLASS SUN Echangeurs air / oxygène



Première référence industrielle démarrée fin 2008

Y. Joumani & A. Contino “Combustion in glass furnaces: recentdevelopments and next challenges”, 21st “Journées d’études” of the Belgiansection of the Combustion Institute, Liège, May 11th, 2010


Oxy combustion pour la capture CO2

Différents schémas de capture CO2

(d’après www.ipcc.ch/pdf/special-reports/srccs/srccs_chapter3.pdf)


Oxy combustion pour la capture CO2

Développement d’un oxy brûleur adapté au « revamping »des chaudières

1 MW prototypeAL-CRCD rig

4 x 8 MW demoLacq pilot plant

2009 > 20112006

Sizen x 30 MW

first of a kind

(d’après Marcano et al (submitted paper), 10th International Conferenceon Greenhouse Gas Control Technologies, Amsterdam (Sept. 2010))


Vers les combustibles alternatifs…

Charbon

Gaz bas PCI (gaz de rejets, syngaz)

(d’après Honoré D. (2007), (Projet Flox))

Combustion classique Combustion sans flamme

(d’après Paubel, X. (2007))


Vers les combustibles alternatifs…

Et demain, l’hydrogène?


MERCI POUR VOTRE PARTICIPATION

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