La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour brûler les résidus du raffinage du pétrole avec une minimisation des émissions d'oxydes d'azote et de poussières.

Ces résidus, dont les goudrons, les asphaltes et les bitumes sont peu valorisâmes et recouvrent notamment des produits solides à température ambiante et d'une viscosité supérieure à 500 centistoke à 100°C. Ils sont habituellement brûlés par les raffineries pour leur usage propre. Par exemple, la production de diesel léger pour l'automobile en Europe favorise la production de ces résidus.

Leur combustion dans des chaudières classiques est dommageable pour l'environnement et les nouvelles normes sur les émissions d'oxydes de soufre notamment en Europe et en France rendront cette solution impossible. Ces limitations s'appliqueront également aux poussières, aux hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et aux composés organiques volatils (COV).

Il est possible au lieu de brûler ces résidus, d'utiliser d'autres traitements plus respectueux de l'environnement mais plus complexes et plus coûteux. On peut ainsi faire une gazéification qui soit intégrée dans un cycle combiné ou une conversion profonde qui valorise le résidu en résidu ultime comme du coke de pétrole par exemple.

L'augmentation de la production de résidus dits "de fond de baril" ou de goudron, notamment en Europe, qui est aujourd'hui brûlée par les raffineurs dans de chaudières classiques entraînera par ailleurs une modification des traitements de ces résidus.

L'objet de la présente invention est de proposer un procédé de combustion des résidus précités et un dispositif d'injection qui puissent être utilisés sur les installations existantes, notamment les chaudières à chauffe tangentielle, et qui permettent de réduire de façon significative les émissions de polluants, principalement des oxydes d'azote et des poussières de carbone imbrûlé. n

Le procédé de combustion de résidus de raffinage du pétrole dans une chaudière selon l'invention, comprend un foyer et des injecteurs, il est caractérisé en ce que du gaz comprenant de l'oxygène est injecté dans le foyer dans la zone la plus chaude dudit foyer. Cette zone, située à proximité immédiate du brûleur, est à écoulement cyclonique, c'est à dire que les gaz de combustion sont mis en rotation à axe notamment vertical pour assurer leur conversion totale sans imbrûlés. L'injection dans la zone très chaude du foyer permet le craquage à haute température du résidu et leur conversion en produits élémentaires (CO, H2, CH4, CO2) facilement combustibles et donc moins polluants par réduction des poussières de carbone imbrûlé. Le procédé s'applique en particulier aux chaudières à chauffe tangentielle.

Selon une autre caractéristique, une injection simultanée de fumées recyclées est effectuée dans la zone la plus chaude du foyer. Une injection simultanée de fumées recyclées apporte au jet de gaz comprenant l'oxygène une quantité de mouvement favorisant la pénétration dudit gaz dans le foyer et particulièrement dans la zone la plus chaude qui est cyclonique. L'injection des fumées recyclées facilite également l'homogénéisation des produits de combustion Résultant du craquage du résidu dans le foyer et évitera ainsi des pics de température des fumées à proximité des échangeurs de chaleurs placés au dessus de la zone de combustion. Une production plus élevée d'oxydes d'azote (NOx) dans la zone chaude sera compensée par la faible production d'oxyde d'azote résultant de la combustion étagée utilisant soit un étagement d'air, soit un étagement de combustible. Selon une disposition particulière, l'injection est faite par des injecteurs disposés dans les angles du foyer. La position de l'injection sera déterminée en fonction de la nature du résidu à brûler. Un ou plusieurs niveaux d'injection pourront être prévus en fonction du pic de température dans le foyer au regard des péniches d'injecteurs de combustibles, et en fonction de la réduction attendue des oxydes d'azote résultants de la combustion étagée ainsi créée par la combinaison des injections air et combustible et des injections de fumées recyclées, oxygène et résidu.

Selon une seconde disposition, l'injection est faite par des injecteurs disposés sur les parois latérales du foyer.

Selon une caractéristique particulière de la seconde disposition, les injecteurs sont placés au milieu de chacune des parois latérales du foyer.

Selon une variante de la seconde disposition, les injecteurs sont placés sur les quatre parois.

Selon une autre variante de la seconde disposition, les injecteurs sont placés sur deux parois face à face.

Le dispositif d'injection de gaz dans un foyer de chaudière selon l'invention est caractérisé en ce qu'il est implanté dans une gaine de recirculation des fumées et qu'il comprend des tubes concentriques d'injection de gaz. La combinaison des deux injections crée une zone chaude de conversion. Le dispositif pourra être implanté à plusieurs endroits dans le foyer de la chaudière.

Selon une caractéristique particulière, le dispositif est disposé sensiblement perpendiculaire dans le plan horizontal aux parois du foyer. L'emplacement, l'inclinaison et la déviation dans le plan horizontal du dispositif sont adaptés en fonction de l'architecture de la chaudière pour favoriser la pénétration dans la zone chaude de combustion qui est tourbillonnante. La gaine d'amenée de fumées recirculées peut ainsi être en forme de coude, ce qui induit une rotation sensiblement horizontale supplémentaire au flux entrant, elle est donc conçue pour créer ou augmenter le flux rotatif à axe sensiblement vertical de la fumée recirculée dans le foyer

Selon une autre caractéristique particulière, le dispositif est disposé sensiblement incliné verticalement vers le bas du foyer. L'inclinaison est de préférence inférieure à 45 °. Selon une seconde caractéristique particulière, le dispositif comprend un circuit de refroidissement. La température au nez du dispositif d'injection est telle qu'il est nécessaire de le refroidir.

Selon une troisième caractéristique, le dispositif est balayé par un gaz. Afin d'éviter le bouchage du dispositif par les poussières venant du foyer, un gaz balaie le dispositif.

Selon une quatrième caractéristique, le dispositif est rétractable. Il est donc possible de faire l'entretien pendant le fonctio nnement de la chaudière.

Selon une cinquième caractéristique, le dispositif comprend un pilote d'allumage au gaz. Ce pilote d'allumage favorise l'autoallumage du résidu.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en coupe verticale d'une chaudière selon l'invention,

- la figure 2 est une vue en coupe de la chaudière selon l'invention,

- la figure 3 est une détaillée en coupe d'un injecteur selon l'invention en position d'injection,

- la figure 4 est une vue détaillée en coupe de l'injecteur de la figure 3 en position rétractée,

- la figure 5 est une vue détaillée en coupe du conduit d'injecteur.

Sur la figure 1 , la chaudière 1 comporte un foyer 2 dans lequel arrivent des combustibles 3 entourés d'ai r chaud 4. Des injecteurs 5 injectent de l'oxygène ou du gaz contenant de l'oxygène 50, le résidu 51 et éventuellement des fumées recyclées 52. Un liquide de refroidissement 53, tel que de l'eau, circule dans l'injecteur 5 pour assurer son refroidissement. Ces injecteurs 5 sont placés à la hauteur de la zone 20 plus chaude du foyer 2. De l'air complémentaire est injecté pour étager la combustion par des injecteurs 6, afin de réduire les émissions d'oxydes d'azote, ces injecteurs 6 sont implantés au dessus des injecteurs 5 de façon à obtenir un temps de séjour des fumées de 0,2 à 5 secondes entre les deux niveaux d'injection 5 et 6.

La figure 2 est la chaudière 1 de la figure 1 vue de dessus à la hauteur de la zone chaude 20. Les injections de combustible 3 et d'air chaud 4 sont disposées dans les angles de la chaudière 1. Les injecteurs 5 sont sur cette variante placés au milieu des parois latérales 21 du foyer 2, mais ils pourraient être placés dans les angles. L'injection du combustible 3 dans les angles crée un tourbillon 200 à axe vertical vers lequel est orienté le résidu 51 et le gaz 50.

L'injecteur 5 détaillé figure 3, comprend un conduit 500 d'amenée d'oxygène ou du gaz contenant de l'oxygène 50, un conduit 510 pour le résidu 51 et un conduit d'arrivée 530 du liquide de refroidissement 53 et un conduit 531 de retour dudit liquide 53. Les fumées recyclées 52 arrivent par la canalisation 520. L'injecteur 5 est incliné vers le bas d'un angle inférieur à 45° pour favoriser la pénétration du résidu 51 dans la zone chaude 20. La zone 22 'est la zone de gazéification du résidu 51 , en dessous on trouve la zone 23 de combustion au dessus on trouve la zone 24 de post-combustion.

Le conduit d'injection 54 dans le foyer 2 est visible sur la figure 5, il est constitué de quatre cylindres concentriques; au centre dans le cylindre central 540 circule le résidu 51 , entre le cylindre 540 et le cylindre suivant 541 circule le gaz enrichi en oxygène 50, puis entre les cylindres 541 et 542 et 543 circule le liquide de refroidissement 53 qui fait un aller retour dans le conduit 54. L'aller est fait entre les cylindres 542 et 543 qui est le plus proche de l'extérieur pour faciliter le refroidissement et le retour est fait entre les cylindres 541 et 542 intérieurs. Les fumées 52 arrivent par le conduit 520, passent dans le conduit 521 de l'injecteur 5 pour être ensuite dirigées dans le foyer 2 (cf. figure 3).

La figure 4 illustre l'i njecteur 5 en position rétractée, l'ensemble constitué du conduit 54 et des conduits 530, 531 , 510 et 500 reculent dans le conduit 521 d'amenée des fumées 52 afin que l'entretien en service soit fait sur cet ensemble de l'injecteur 5.

Nous allons maintenant décrire le mode de fonctionnement du procédé. Le combustible 3 et l'air chaud 4 sont injectés dans la partie basse 23 du foyer 2. La combustion se développe et la zone 20 située au dessus des brûleurs 30 est la plus chaude. Les résidus 51 et le gaz en richi en oxygène 50 sont injectés dans cette zone 20 où les résidus 51 sont craqués et réduits en produits élémentaires combustibles. L'i njection simultanée concentrique des fumées recyclées 52 par les injecteurs 5, apporte au jet de gaz enrichi en oxygène ou à l'oxygène 50 et de résidu 51 , une quantité de mouvement favorisant la pénétration du résidu 51 et du gaz 50 dans l'écoulement cyclonique à axe vertical 200 du foyer 2 et elle crée une zone chaude de conversion favorisant la combustion du résidu 51 .

Le nombre d'injecteurs 5 à implanter dans le foyer 2 sera défini en fonction des propriétés du résidu 51 à brûler. Ils pourront être disposés sur un ou plusieurs niveaux en fonction du flux thermique admissible par les parois 21 et du lissage des pics de température souhaité des fumées à l'attaque des faisceaux d'échangeurs 7.

L'inclinaison des injecteurs 5 et leur déviation dans le sens vertical est inférieur à 45 °.

L'injection 5 comprend un pilote d'allumage au gaz ce qui va favoriser l'autoallumage du résidu 51 .