Brûleurs industriels

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Brûleurs industriels

Bertrand LEROUX Coordinateur du réseau ALTEC Combustion

Défis Energétiques du 21

^ème

siècle

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Introduction

La combustion est partout dans l’industrie

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Introduction

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

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Et si demain vous deviez faire un brûleur industriel?

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

Quelques exemples de brûleurs que vos ainés ont déjà pu concevoir…

pour produire du verre ou du ciment pour fabriquer des tôles d’acier

pour produire de l’hydrogène

pour alimenter une chaudière de cogénération

A vous de jouer!

combustion sans flamme

nouvelles perspectives pour l’oxy combustion combustibles alternatifs

(5)

Et si demain vous deviez faire un brûleur industriel?

A vous de jouer!

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Un élément d’un système à plusieurs composantes

Skid*

Combustible

Echangeur

Oxydant Système

dépollution

Charge Brûleur

Four

D’après Baukal (2004), Industrial burners handbook

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Donner sa chance au produit (1)…

Des niveaux de températures différents selon l’application

T (K) 1000 2000

300 500

Glass making Cement making

Steel making Steel forming

Steel heat treating

Al heat treating Al melting Meat

smoking

Bread Baking

Coffee Roasting

Steam generation

Brick making

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Donner sa chance au produit (2)…

Quelques paramètres à prendre en compte pour la charge

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)

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Ne pas négliger l’enceinte…

Quelques paramètres à prendre en compte pour le four ou la chaudière

Four batch / continu / semi-continu Géométrie

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

Propriétés des matériaux composant le four (réfractaires - alliages)

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Les ingrédients…

Le combustible

Gaz naturel

Fioul léger – fioul lourd Mélanges H2 / CO

Hydrogène Acétylène

La charge à traiter…

L’oxydant

Air froid – préchauffé à 700°C ou 1200°C Air enrichi en O2 jusqu’à O2 pur

Oxydant appauvri en O2 (post-combustion / recirculation des fumées)

Attention à l’approvisionnement!

Pression disponible…

Qualité des réactifs…

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Des rejets à considérer…

Principaux polluants

CO2 NOx SOx

Particules

Métaux lourds

Dioxines - furanes

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Et enfin le brûleur…

Principales composantes

Bloc

Parties

métalliques

Contrôle Organes de

sécurité

Système d’allumage

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Et si demain vous deviez faire un brûleur industriel?

A vous de jouer!

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Exemples de brûleurs pour le verre (1)

Quelques exemples de compositions du verre

7.3 ----

0.3 ----

0.2 0/3

---- 4.3

17.7 0.3

14.8 55.2

E glass

0.5 ----

---- ----

1.5 12.5

---- 0.9

9 0.5

2.5 72

A glass

1.3 25.2 ----

---- 13.1 1.3

---- ----

---- 0.02

---- 58.5 Lead

0.8 ----

5.8 ----

2.3 14.9

1.3 ----

---- 0.05

6.1 59.9

Lighting

12.3 ----

---- ----

0.3 4.5

---- ----

0.1 0.07

2.6 80.2

Borosilic ate

---- ----

---- 0.3

0.8 12.8

3.8 8.2

0.1 1.4

72.8 Flat

---- ----

---- 15.1

---- 2.1

8.4 0.96

1.1 72

Green

---- ----

---- 0.03 1

13.8 ----

---- 10

0.22 1.9

72.7 Amber

---- ----

---- 0.2

0.5 13.7

---- 0.1

11 0.05

1.6 72.6

Flint cont

B₂O₃ PbO

F₂ SO₃ K₂O

Na₂O BaO

MgO CaO

Fe₂O₃ Al₂O₃

SiO₂ Glass

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Exemples de brûleurs pour le verre (2)

Quelques exemples de compositions de verre Particularités de la charge

Energie de fusion importante Matériau semi-transparent

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

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Exemples de brûleurs pour le verre (3)

Fours “cross-fired” à régénérateurs

Brûleur DeNOx (STG)

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Exemples de brûleurs pour le verre (4)

Fours “side-fired” à récupérateurs

Fours “side-fired” tout oxygène

Brûleur ALGLASS FC VM (AL)

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Exemples de brûleurs pour le verre (5)

Quelques points de vigilance pour le choix de la technologie 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

NOx(kg/tofglass)

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Exemples de brûleurs pour le ciment (1)

Procédé de fabrication

1^ère étape : préchauffage et précalcination

2^ème étape : cuisson du clinker

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Exemples de brûleurs pour le ciment (2)

Exemple de brûleur dans le four rotatif

Quelques points de vigilance

Fuels de type et de PCI variables Niveaux de température

Niveaux d’oxydation au-dessus du calcin Emissions CO2

Brûleur ROTAFLAM (Pillard)

(21)

Exemples de brûleurs pour la métallurgie (1)

Chaîne de fabrication de l’acier

Heat treatment

Large Industries

Heat treatment

Large Industries

(22)

Exemples de brûleurs pour la métallurgie (2)

Fours à arc électrique

Utilisation combinée d’énergie électrique et d’énergie fossile

Quelques points de vigilance

Fusion des rebuts avec le maximum d’efficacité Oxyder le carbone présent et non le Fer

Limiter la « consommation » des électrodes Augmenter la durée des réfractaires

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Exemples de brûleurs pour la métallurgie (3)

Brûleurs multi-fonction pour fours à arc électrique

Trois modes de fonctionnement possibles en fonction de la phase de fusion

Mode brûleur

Mode brûleur + lance O2 Mach1

Lance O2 Mach 2 + Injection de Carbone

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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

MWh

Burner (total power) Electrical energy First basket melting Loading Second basket melting

refining

Exemples de brûleurs pour la métallurgie (4)

+ Injection C

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Exemples de brûleurs pour la métallurgie (5)

Chaîne de fabrication de l’acier

Heat treatment

Large Industries

Heat treatment

Large Industries

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Exemples de brûleurs pour la métallurgie (6)

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

Billet outlet

Ambient air

Preheated air Heat exchanger

Billet inlet

soak main preheat

recovery

Oxyfired zone

Charging zone Discharging and

rolling mill

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Exemples de brûleurs pour la métallurgie (7)

Quelques points de vigilance pour le réchauffage

Homogénéité 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 oxy Brûleurs régénératifs (Bloom) Brûleur étagé (Hauck)

Brûleurs ALROLL (AL)

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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’à

100bars

- H2O/C mini : 0.6 - Catalyseur Ni

Tube SMR

- T : 750 à 850 °C - P : 30-40 bars max

- H2O/C mini : 2.5 - Catalyseur Ni

SMR

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Exemples de brûleurs pour produire de l’H2 (2)

Procédé SMR : plusieurs configurations possibles

Profils de flux et de température vus par les tubes

(d’après Dybkjaer (1995))

(30)

Exemples de brûleurs pour produire de l’H2 (3)

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 transfert vers les tubes

Problèmes éventuels de bouchage - maintenance

Walrad burner (Hamworthy) FPMR burner (John Zinc)

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Exemples de brûleurs pour produire de l’H2 (4)

Points de vigilance pour un brûleur ATR

Longueur de flamme courte

Refroidissement du nez brûleur

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

Eviter des vitesses de gaz trop importantes au-dessus du lit catalytique

Eviter le « métal dusting » dans l’enceinte : réaction de Boudouard 2CO < - - - > C + CO2

CTS burner (Haldor Topsoe) O2 (250°C)

HC + H20 (550°C)

(32)

Exemples de brûleurs pour la cogénération (1)

Exemple d’une usine de cogénération au Canada

80MWe

120t/h de vapeur

Brûleur de conduite installé en sortie de turbine

bénéficier d’une énergie

supplémentaire pour la production de vapeur

back-up si arrêt de la turbine

Spécificités de la combustion

Oxydant : O2 résiduel des fumées de turbine

Température élevée de l’environnement brûleur

Combustible : gaz naturel ou différents types de fioul

(33)

Exemples de brûleurs pour la cogénération (2)

Quelques exemples de brûleurs de conduite

Points de vigilance pour le design brûleur

Formation de suie - Bouchage des injecteurs Stabilité de flamme

Résistance mécanique et thermique des pièces métalliques

Large gamme de fonctionnement en terme de puissance tenant compte de :

• Uniformité de l’écoulement d’oxydant

• Concentration en O2 dans l’écoulement d’oxydant

John Zinc duct burner Coen duct burner

(34)

Et si demain vous deviez faire un brûleur industriel?

A vous de jouer!

(35)

Les défis pour demain et après-demain

Technologiques

Développer 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 Environnementaux

Réduire les émissions de polluants de 90% d’ici 2020

Réduire les émisssions de CO2 aux niveaux arrêtés par la Communauté Internationale

Liés aux choix de combustibles

Brûleurs Multi-combustibles

Développer les possibilités d’utilisation des combustibles alternatifs

Economiques

Réduire le coût de fabrication des brûleurs Adapter l’offre aux nouveaux marchés

(36)

Combustion sans flamme

Principe

Principales spécificités

Pas de flamme visible

Pas de pic de température Transfert homogène

Bas NOx

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

(37)

Combustion sans flamme (2)

Applications en métallurgie

Applications en verrerie

Remplacement de brûleurs

standards par des brûleurs FLOX pour un four à récupérateur

(OSRAM, verre pour éclairage)

• -50% NOx

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

FLOX burner in ceramic radiant tube for silicon steel strip line (WS Inc)

(38)

Oxy combustion avec récupération d’énergie

Réduire de 10% la consommation énergétique en préchauffant combustible et oxygène

en toute sécurité

avec des coûts d’investissements compétitifs

(39)

Oxy combustion avec récupération d’énergie

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

(40)

Oxy combustion avec récupération d’énergie

Première référence industrielle démarrée fin 2008

Y. Joumani & A. Contino “Combustion in glass furnaces: recent

developments and next challenges”, 21st “Journées d’études” of the Belgian section of the Combustion Institute, Liège, May 11th, 2010

(41)

Oxy combustion pour la capture CO2

Différents schémas de capture CO2

(42)

Oxy combustion pour la capture CO2

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

1 MW prototype AL-CRCD rig

4 x 8 MW demo Lacq pilot plant

2009 > 2011

2006

Size n x 30 MW

first of a kind

(d’après Marcano et al, 10th International Conference

on Greenhouse Gas Control Technologies, Amsterdam (Sept. 2010))

(43)

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))

(44)

Vers les combustibles alternatifs…

Et demain, l’hydrogène?

(45)

Brûleurs industriels