Brûleurs bas NOx

Objectif de ce dossier :

L'objectif de ce dossier est de présenter les diverses technologies de brûleurs disponibles sur le marché permettant de produire moins de NOx dans les fumées.

1. Comment se forment les NOx ?

On distingue 3 mécanismes de formation des NOx :

1 - Les NOx thermiques : formés à très haute température par la combinaison chimique de l'oxygène (O) et de l'azote (N) contenus dans l'air.

N₂ + O₂ à 2 NO

2 - Les NOx combustibles : formés par l'oxydation de l'azote présent dans le combustible. Ces NOx se forment lors de la combustion du fioul ou de la biomasse. Le gaz naturel contenant très peu voire pas du tout d'azote, sa combustion ne crée pas de "NOx combustibles".

3 - Les NOx précoces ou prompt NOx : formés par l'attaque du N₂ de l'air par des radicaux carbonés (CH et CH₂ par exemple), qui se recombinent à leur tour avec l’oxygène de l’air. Ils sont formés essentiellement dans le front de flamme.

N₂ + CH à HCN + N

N₂ + CH₂ à HCN + NH

Par ailleurs, 3 facteurs peuvent également influer sur la formation de NOx lors de la combustion du gaz naturel : la température, le temps de réaction et l'excès d'air.

En effet, dans le cas d'une température élevée (>1200°C), la formation de NOx est favorisée. Il conviendra d'être donc particulièrement vigilant sur les procédés à haute température.

De plus, plus la combustion est "lente", c’est-à-dire si les atomes d'azote (N) restent longtemps dans la zone chaude du front de flamme, on risque d'obtenir des concentrations de NOx importantes dans les fumées.

La courbe ci-dessous illustre ces deux premiers phénomènes.

Enfin, concernant le réglage de l'excès d'air, on note que dans certains cas l'oxygène résiduel qui n'a pas réagi se retrouve dans les fumées et se combine avec les atomes d'azote pour former des NOx.

Ainsi, une simple optimisation des réglages d'un brûleur peut parfois permettre de respecter les seuils d'émission de NOx.

2 .Technologies de brûleurs bas NOx

Il existe des technologies de brûleurs dits "bas NOx" qui permettent, de par leur conception, de limiter fortement la formation de NOx lors de la combustion.

Ces technologies de brûleurs agissent sur 3 paramètres qui permettent de réduire les NOx :

• Améliorer le mélange air - combustible
• Réduire la teneur en oxygène
• Réduire la température de la flamme

Les brûleurs dits "bas NOx" disponibles sur le marché de nos jours agissent sur plusieurs de ces paramètres, voire les 3 simultanément.

Nous présentons ci-dessous les principes de base employés par ces brûleurs pour limiter la formation de NOx lors de la réaction de combustion.

À noter que le choix de la technologie de brûleur permet d'agir au niveau de la source de production des polluants et d'en réduire la formation. Il existe également des technologies permettant de traiter les NOx formés présents dans les fumées, comme la réduction catalytique sélective ou non-sélective (RCS & RCNS).

2.1. Brûleur pulsé à recirculation de fumées

Cette technologie permet de recycler les fumées de combustion en les réinjectant dans la tête du brûleur.

Ainsi, on mélange une partie des fumées de combustion avec l'air comburant dans l'objectif double de diminuer la température de la flamme, les gaz brûlés étant à une T°C inférieure à celle de la flamme et de réduire la concentration en oxygène du mélange.

Généralement, l'aspiration d'une partie des fumées pour les mélanger à l'air comburant est assurée par le circuitage aéraulique du brûleur. On parle alors de recirculation interne.

Dans ce cas, de petits orifices au niveau de la tête de combustion viennent aspirer les fumées qui entourent la flamme par un équilibrage des pressions aérauliques, la tête de combustion étant en dépression par rapport à celle régnant dans la chambre de combustion.

À noter qu'il existe également des brûleurs à recirculation externe de fumées.

Le principe est identique, à la différence près que la recirculation n'est pas effectuée directement dans la chambre de combustion : on vient récupérer une partie des fumées au niveau de la cheminée, puis on règle la proportion adéquate air/fumées au moyen d'une électrovanne.

Le schéma ci-dessous illustre ce fonctionnement :

L'avantage de cette variante est qu'elle peut être implantée sur un système existant sans nécessiter de remplacer le brûleur. Cependant, la modulation air/fumée sera moins bonne que dans le cas de la recirculation interne où la régulation est mécanique : la proportion de fumée admise est directement liée au débit d'air comburant et donc à la puissance thermique appelée.

Généralement, on considère que la recirculation des fumées permet de réduire les émissions de NOx de 30 à 50% par rapport à une situation standard.

2.2. Brûleur à pré-mélange

Les brûleurs à pré-mélange, comme leur nom l'indique, effectuent le mélange air comburant et gaz naturel en amont de la chambre de combustion.

Ceci a pour effet d'accroitre la qualité de la combustion, notamment en maitrisant mieux l'excès d'air puisque l'on injecte exactement la quantité adéquat pour viser la stœchiométrie.

Ainsi, la quantité d'oxygène excédentaire présente dans la chambre de combustion est réduite, ce qui impacte directement la formation de NOx.

Par ailleurs, ces brûleurs permettent également d'améliorer le rendement de l'équipement thermique ainsi que d'accroitre la plage de régulation de puissance.

Le schéma ci-dessous illustre le fonctionnement d'un système à pré-mélange gaz :

La technologie de pré-mélange peut également être employée sur des brûleurs radiants, ce qui permet d'aller encore plus loin dans la réduction des émissions de NOx.

En plus de réduire les émissions de NOx grâce à la réduction de la quantité d'oxygène dans les fumées, les brûleurs radiants permettent d'abaisser la température de flamme sous le seuil critique de 1200°C.

En effet, "l'accroche flamme" en matériau réfractaire des brûleurs radiants absorbe une partie de la chaleur de la flamme pour la diffuser par rayonnement dans le procédé. Ce transfert thermique réduit significativement la température de flamme, et donc la formation de NOx.

Un exemple de technologie est le brûleur radiant hémisphérique à pré-mélange :

2.3. Combustion étagée

Enfin, le système à combustion étagée permet de séparer la combustion en différentes zones par l'injection de gaz à différents niveaux de la tête du brûleur : on parle alors de flamme primaire et de flamme secondaire.

La séparation en différentes zones de combustion permet d'agir sur 2 des phénomènes de formation de NOx :

• Augmenter la vitesse de flamme et réduire le temps de séjour des gaz de combustion dans la zone de flamme à haute température,
• Homogénéiser et réduire la température de flamme.

Le principe de fonctionnement de la combustion étagée par le combustible est décrit sur le schéma ci-dessous. La première flamme correspond à une zone en excès d'air, puisque la totalité de l'air nécessaire à la combustion complète du gaz est introduite à ce niveau, tandis que seulement une portion du gaz est brûlé. On limite ainsi la température de cette première flamme.

La seconde flamme est alimentée en combustible par une lance secondaire d'injection de gaz, et réalise la combustion dans des conditions proches de la stœchiométrie, tout en récupérant une partie des produits de combustions de la première flamme. De plus, la totalité du gaz n'est pas consommée au niveau de cette seconde flamme, ce qui, couplé au phénomène de recirculation, a encore une fois tendance à limiter la température de cette dernière.

Il existe également des brûleurs ou l'étagement de la combustion est effectué en agissant sur l'air comburant au lieu du combustible.

Ce système est cependant plutôt rencontré sur des brûleurs à combustible solide (charbon, biomasse), moins sur le gaz naturel. Nous n'en détaillerons donc pas le fonctionnement ici.

3. Fournisseurs de brûleurs bas NOx

Généralement, les fournisseurs "traditionnels" de brûleurs proposent une gamme "bas NOx" dans leurs catalogues.

Aujourd'hui, les systèmes de combustion bas NOx sont de plus en plus présents sur le marché français et représentent 17% des solutions techniques proposées (source : fiche technique brûleurs Bas NOx, ADEME, Sept. 2018).

Nous présentons ci-dessous une liste non-exhaustive de fournisseurs de brûleurs proposant des technologies de réduction des NOx :

• CUENOD :
  • Système IME® (injection multi étages) qui intègre également la recirculation interne des gaz de combustion jusqu'à 6 MW.
• MAXON, ECLIPSE, KROMSCHRODER commercialisés par HONEYWELL, marques spécialisées dans les brûleurs industriels, proposent une large gamme de produits bas NOx :
  • RADMAX® (brûleur radiant MAXON), M-PAKT® (MAXON : 120 kW à 2.5 MW), OVENPAK LE® (MAXON, pré-mélange de 150 kW à 3 MW).
  •  LINNOX® (ECLIPSE : brûleurs à pré-mélange pour applications en chauffe directe radiante : de 26 kW à 791 kW).
  • BIC.M® MENOX (KROMSCHRODER) brûleur sans flamme  pour applications en métallurgie de 35 à 360 kW.
• SAACKE :
  • plusieurs gammes de produits (TEMINOX®, LONOX®, CONOX®) pour différentes applications et puissances allant de 3 à 64 MW.
• WEISHAUPT :
  • propose leur technologie brevetée Multiflam® (combustion étagée) sur tous les brûleurs catalogue destinés à l'industrie (hors applications marines) : 55 kW à 32 MW. On trouve également la technologie de recirculation interne des fumées et de pré mélange sur de nombreux modèles.
• PILLARD, commercialisés par FIVES :
  • Plusieurs gammes de produits Bas NOx : LoNOxFlam G2® (recirculation interne), NANOxFLAM® 5-60 MW (pré-mélange).