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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
2010 3AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Introduction
Brûleur bien maîtrisé en adéquation avec le procédé etavec son environnement = avantage compétitif
2010 4AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 5AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 6AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 7AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 8AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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)
2010 9AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 10AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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…
2010 11AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Des rejets à considérer…
Principaux polluantsCO2
NOx
SOx
Particules
Métaux lourds
Dioxines - furanes
2010 12AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Et enfin le brûleur…
Principales composantes
Bloc
Partiesmétalliques
Contrôle
Organes desécurité
Systèmed’allumage
2010 13AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 14AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 15AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour le verre (2)
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)
2010 16AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour le verre (3)
Fours “cross-fired” à régénérateurs
Brûleur DeNOx (STG)
2010 17AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour le verre (4)
Fours “side-fired” à récupérateurs
Fours “side-fired” tout oxygène
Brûleur ALGLASS FC VM (AL)
2010 18AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour le verre (5)
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
)
2010 19AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour le ciment (1)
Procédé de fabrication1ère étape : préchauffage et
précalcination
2ème étape : cuisson du clinker
2010 20AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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)
2010 21AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour la métallurgie (1)
Chaîne de fabrication de l’acier
Laboratories
Heat treatment
Industrial customers
Large Industries
Laboratories
Heat treatment
Industrial customers
Large Industries
2010 22AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour la métallurgie (2)
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
2010 23AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour la métallurgie (3)
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)
2010 24AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
Exemples de brûleurs pour la métallurgie (4)
+ Injection C
2010 25AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour la métallurgie (5)
Chaîne de fabrication de l’acier
Laboratories
Heat treatment
Industrial customers
Large Industries
Laboratories
Heat treatment
Industrial customers
Large Industries
2010 26AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour la métallurgie (6)
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
2010 27AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour la métallurgie (7)
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)
2010 28AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 29AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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))
(d’après Dybkjaer (1995))
2010 30AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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 transfertvers les tubes
Problèmes éventuels de bouchage - maintenance
Walrad burner (Hamworthy) FPMR burner (John Zinc)
2010 31AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Exemples de brûleurs pour produire de l’H2 (4)
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)
2010 32AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 33AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 34AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 35AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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)
2010 36AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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)
2010 37AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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)
2010 38AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
2010 39AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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
5µm 5µm 5µm 5µm 5µm 5µm
10µm 10µm 10µm 10µm 10µm 10µm
2mm 2mm 2mm 2mm 2mm 2mm
ALGLASS SUN Echangeurs air / oxygène
2010 40AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Oxy combustion avec récupération d’énergie
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
2010 41AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Oxy combustion pour la capture CO2
Différents schémas de capture CO2
(d’après www.ipcc.ch/pdf/special-reports/srccs/srccs_chapter3.pdf)
2010 42AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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))
2010 43AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
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))
2010 44AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
Vers les combustibles alternatifs…
Et demain, l’hydrogène?
2010 45AIR LIQUIDE PROPERTY - CONFIDENTIAL
MERCI POUR VOTRE PARTICIPATION