FR3047299A1 - Procede et dispositifs le mettant en oeuvre permettant de realiser une combustion partielle ou totale homogene - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et les principales caractéristiques des dispositifs permettant de le mettre en œuvre pour obtenir une combustion à des températures aussi homogènes que possible (ce qui est une des conditions à remplir pour produire peu de NOx) et pour avoir une combustion stable même quand on cherche à oxyder partiellement ou totalement des gaz pauvres ou très pauvres. Selon l'invention, la combustion se fait dans une chambre dans laquelle on fait tourner rapidement les gaz de sorte que les gaz chauds réchauffent comburant et combustible à une température telle qu'ils puissent brûler et cela avantageusement en moins d'un tour réalisé par les gaz dans la chambre.

Description

L'invention fait partie des procédés et techniques de combustion totale ou partielle et en particulier des procédés et matériels permettant de brûler de façon homogène (c'est-à-dire sans zone particulièrement chaude comme il peut y en avoir dans une flamme) un combustible pouvant être assez pauvre (comme le sont par exemple les gaz de hauts fourneaux ou les gaz de gazéification à l'air). L'application de l'invention à une combustion homogène développée tout au long du texte qui suivra n'est pas la seule application industrielle intéressante du procédé qui peut aussi être utilisé plus généralement pour des réactions gaz-gaz, des réactions de matières en suspension dans un ou plusieurs gaz et même pour des réactions entre liquides dans lesquelles on désire homogénéiser les milieux.

Dans la suite, on emploiera (pour faciliter la compréhension) les termes de « combustion homogène » pour parler d'une réaction qui se fait dans un milieu le plus homogène possible à l'échelle macroscopique sur le plan des températures et des concentrations des divers constituants.

Pour obtenir une combustion stable d'un combustible aussi bien riche que pauvre, on utilise souvent des brûleurs dits à pré-mélange ou des brûleurs réalisant des mélanges entre jets plus ou moins tournants en général rendus turbulents : dans les brûleurs à pré-mélange, le combustible est mélangé de façon la plus homogène possible au comburant (par exemple de l'air) et le mélange est allumé dans une chambre de combustion. Il se développe alors une flamme par le processus habituel de propagation de front de flamme. Mais si le gaz à brûler est un gaz pauvre ou très pauvre, vu la faible teneur en composants combustibles de ce gaz, la vitesse de propagation de la flamme risque d'être faible ou très faible, ce qui risque de conduire à des flammes instables.

Les problèmes posés par la stabilité de flamme de la combustion augmentent lorsque l'on a à faire à des gaz pauvres ou particulièrement pauvres, ce qui amène pour brûler ces gaz pauvres à des solutions particulières souvent peu satisfaisantes. Pour la combustion, par exemple des gaz de hauts-fourneaux, le réchauffage d'air dans une flamme libre peut permettre de la stabiliser. Mais cela a pour inconvénient, indépendamment d'un surcoût dû au prix de l'échangeur, d'augmenter au moins d'autant les hautes températures locales et de ce fait d'augmenter les NOx produits.

Le souci de produire le moins possible de NOx et pour cela de diminuer les températures locales extrêmes qui se rencontrent dans les flammes de brûleurs a poussé à faire des brûleurs « bas NOx » (à méthane par exemple ou à divers hydrocarbures). Dans les brûleurs bas NOx, les fumées de combustion sont partiellement recyclées dans la flamme. L'innovation objet du présent brevet répond à divers besoins et en particulier au suivant : réaliser une combustion partielle ou totale de gaz (qui peut être pauvre du fait de sa composition, en particulier du fait d'une teneur en azote et vapeur d'eau très importantes) sans produire trop de NOx et en ayant une combustion stable. Ceci est important lorsque l'on veut brûler des gaz pauvres dont la flamme est difficile à stabiliser correctement.

Sur un plan général, la combustion en flamme conduit à l'existence de zones particulièrement chaudes (flammes) dans lesquelles la production de NOx est activée. Dans le but de limiter cette production de NOx, une technique utilisée habituellement consiste à mélanger dans la flamme des fumées issues de la zone de combustion. Le fait de mélanger des fumées au gaz à brûler et au comburant appauvrit le mélange combustible-comburant et conduit aux mêmes difficultés de stabilisation de flamme que celles auxquelles on est confronté pour la combustion de gaz pauvres.

Face à ces difficultés, une technique abondamment étudiée actuellement dans le but de diminuer les quantités de NOx formées au cours d'une combustion est la combustion homogène sans flamme. L'invention décrite ici permet de réaliser une combustion homogène qui a donc l'avantage d'être sans flamme et donc sans point particulièrement chaud. De plus, elle permet de réaliser de façon stable la combustion totale ou partielle de gaz même pauvres.

Selon cette invention, le combustible et le comburant introduits dans l'espace de combustion de façon répartie sur sa longueur sont vigoureusement et rapidement mélangés à des volumes importants de fumées très chaudes car issues de la combustion qui sont très rapidement re-circulées dans l'espace de réaction essentiellement par un mouvement rotatif de l'ensemble des gaz dans cet espace. Le mélange important réalisé par la rotation des gaz, en plus de favoriser le mélange du combustible et du comburant, les réchauffe rapidement permettant d'atteindre une température suffisante pour que l'oxydation ait lieu malgré la forte dilution, et cela sans pour autant atteindre localement les températures très élevées qu'atteindrait une flamme dans ce mélange. Les températures atteintes doivent seulement être celles qui fournissent l'énergie d'activation nécessaire à la combustion homogène par contact du comburant dilué avec le combustible (dilué aussi) par le mélange.

Le présent brevet présente un procédé et les dispositifs permettant de le mettre en œuvre pour réaliser la combustion homogène visée. Ce procédé et les dispositifs permettant de le mettre en œuvre s'appliquent avantageusement par exemple à l'oxydation totale ou partielle d'un gaz pauvre de gazéification à l'air auquel évidemment il ne se limite pas.

Le procédé consiste à introduire le combustible et le comburant dans la masse de gaz à haute température tournant dans une chambre de combustion dans laquelle a lieu un écoulement circulaire dont l'axe de rotation a la même direction que la longueur de la chambre, mouvement entretenu par un moyen judicieux, éventuellement par un ventilateur résistant aux températures qui régnent dans la chambre, et/ou avantageusement par l'échange de quantité de mouvement entre le gaz qui tourne dans la chambre et le combustible et/ou le comburant injectés à des vitesses suffisantes par des orifices disposés de telle sorte que la direction des fluides injectés soit, au lieu de l'injection, dans le sens et la direction de la circulation des gaz en ce lieu. Il convient, pour que la quantité de mouvement transmise aux gaz tournant puisse vaincre les pertes de charges associées aux résistances dues à la rotation des gaz que la quantité de mouvement rajoutée par les gaz injectés soit suffisamment importante ce qui est obtenu par des vitesses importantes des gaz injectés. Il convient aussi de faire en sorte que le dispositif d'amenée des gaz injectés jusqu'aux orifices d'injection perturbe le moins possible l'écoulement des gaz.

Le procédé prévoit aussi que l'injection se fasse par des orifices suffisamment petits pour que le mélange ait lieu avantageusement en bien moins d'un tour du gaz dans la chambre de combustion.

Les produits de la réaction sortent par les extrémités de la chambre ou par une bande orientée dans le sens de la longueur de la chambre.

Les dispositifs permettant d'appliquer ce procédé peuvent être divers. On citera en particulier trois dispositifs qui mettent en oeuvre le procédé de l'invention : un dispositif d'élévation à haute température Qusqu'à 1000 à 1200°C) de gaz intermédiaires d'un gazéifieur à l'air de biomasse. Ce dispositif peut être un réacteur fermé, dont la forme de la surface qui limite la chambre n'est pas forcément cylindrique. Cette surface peut être de section carrée ou polyédrique ou autre, bien qu'étant avantageusement quasi-cylindrique de révolution. L'écoulement à l'intérieur de la chambre est globalement de révolution autour de l'axe de la chambre.

Le dispositif peut aussi être un réacteur ouvert dans lequel la forme du réacteur est celle d'une rigole renversée de fond demi-cylindrique prolongée par des faces planes parallèles, ce qui correspond à un réacteur dont la zone de combustion est ouverte sur une autre zone de l'appareil et peut alimenter en gaz très chaud, par la périphérie de l'écoulement tournant, cette autre zone. On notera que, dans ce dispositif, l'écoulement principal reste de révolution autour de l'axe du demi-cylindre de la surface l'enveloppant partiellement.

Le troisième dispositif peut être appelé un brûleur à gaz pauvre que l'on peut introduire dans la chambre centrale d'une chaudière conçue pour y mettre un brûleur classique à fioul ou à gaz par exemple. A la place du brûleur classique, on introduit autour d'une canne cylindrique, le combustible. La canne est prolongée à l'intérieur de la chambre de combustion centrale et est équipée d'un ensemble de petites conduites plates qui injectent judicieusement l'air dans la chambre en apportant une quantité de mouvement qui fait tourner vigoureusement les gaz dans la chambre. Le dispositif assure une combustion homogène et produit un cylindre de gaz très chaud là où serait installée la flamme du brûleur classique. L'espace de combustion est, dans les trois cas, avantageusement délimité par une paroi cylindrique de révolution.

La paroi de la chambre peut être constituée de plusieurs couches : on aura par exemple à l'extérieur une couche en métal (par exemple tôle) assurant l'étanchéité et résistant suffisamment aux efforts mécaniques et aux corrosions de parois froides (dues aux condensations qui peuvent par moments survenir bien que la température de cette couche soit habituellement avantageusement maintenue telle qu'il n'y ait pas de condensation sur cette couche externe étanche). On aura ensuite par exemple, une couche d'isolant thermique avantageusement en laine réfractaire, fixée à l'intérieur de la couche précédente. On aura enfin, avantageusement, une couche de tôle plus ou moins mince d'un métal résistant à la fois à la température et aux corrosions éventuelles (dues à tel ou tel composant des gaz lorsqu'ils sont à haute température). Cette couche de tôle recouvre l'intérieur de la couche d'isolant thermique. La paroi de la chambre, dans le cas où elle est la paroi intérieure d'une chaudière, est simplement la paroi en acier de la chambre de ladite chaudière.

Les injections de gaz combustible et comburant par exemple (étant noté que le combustible ou le comburant ne sont pas forcément des gaz) qui ont lieu dans le cadre des dispositifs développés dans le texte qui suit (rappelons qu'il s'agit là de cas particuliers non limitatifs) peuvent avantageusement se faire par des orifices (éventuellement fentes) disposés sur ou à l'extrémité de conduits qui amènent les gaz injectés jusqu'aux orifices d'injection. Ces injections, pour assurer la persistance de la rotation d'ensemble des gaz, doivent se faire avantageusement dans la direction qu'a l'écoulement environnant au lieu de l'injection.

Dans l'espace de réaction, ou d'élévation à haute température, cylindrique de révolution dans lequel tournent les gaz chauds, les gaz injectés doivent avoir approximativement une direction perpendiculaire à la fois au rayon et à l'axe de révolution de l'espace de réaction.

Dans la version dans laquelle les injections de comburant remplissent, comme les injections de combustible, cette condition, le combustible et le comburant peuvent être amenés aux orifices chacun de deux façons différentes : - par des conduites aplaties, situées approximativement dans des plans perpendiculaires à l'axe de la chambre, conduites dont la forme est avantageusement aérodynamique vis-à-vis de l'écoulement qui les entoure et qui sont alimentées soit à travers la paroi extérieure soit par une conduite centrale située avantageusement dans l'axe de la chambre de combustion - par une conduite, ou plusieurs tronçons de conduite, aplatie et de forme aérodynamique vis - à vis de l'écoulement qui les entoure, longitudinale parallèle à l'axe de révolution de la chambre de combustion, alimentées depuis la paroi ou depuis une conduite située avantageusement dans l'axe de la chambre par des tronçons radiaux de conduite (aplatis et de forme aérodynamique vis-à-vis de l'écoulement qui les entoure) - par des tronçons de conduite cintrés et raccordés à une conduite ou à un caisson extérieur à la chambre ou à une conduite située au centre de la chambre.

On notera que le fait que, malgré la dominance de la composante tangentielle de la vitesse dans la chambre, le flux de gaz sortant de la chambre induit une composante axiale de vitesse. C'est la composition de ces deux composantes qui définit la vitesse en les divers points. Les vitesses ne sont donc pas précisément dans un plan perpendiculaire à l'axe de la chambre mais plus exactement, dans le cas d'une sortie des gaz par une extrémité de la chambre de combustion, sur une hélice à pas croissant vers la sortie dont l'axe est l'axe de la chambre. Cela peut amener à ce que les conduites aplaties amenant comburant et combustible ne soient pas exactement sur des disques mais plutôt sur des hélices.

La figure 1 représente une chambre de combustion circulaire correspondant au premier cas ci-dessus, vue en coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe de la chambre, dans laquelle l'injection du comburant et du combustible se font à travers la paroi extérieure par deux fentes ayant une paroi en commun. On y voit la paroi extérieure (1), la couche d'isolant (2) et la paroi intérieure (3) en tôle mince. On y voit aussi les conduites aplaties (4) qui amènent les gaz et l'air en couches planes parallèles et ayant une face commune. On y voit le bord d'attaque (5) du profil aérodynamique de ces conduites aplaties et le bord de fuite (6) par lequel sortent le combustible au centre et le comburant en couche mince sur ses deux faces. On y voit des déflecteurs (7) qui guident la lame d'air de sorte qu'elle soit bien perpendiculaire au rayon et donc dans le sens de l'écoulement général lors de sa sortie. On y voit, regroupés dans un même espace les caissons d'alimentation en combustible (8) et en air (9) alimentant les diverses conduites aplaties. On y voit le tuyau (10) qui amène l'air au caisson d'alimentation (9) qui le concerne. On y voit enfin une bride (11) qui permet de faciliter le montage et le raccordement des caissons. On y voit les tôleries (12) de fixation des brûleurs d'allumage et la conduite de départ de gaz (13).

La figure 2 représente la même chambre que la figure 1, vue en coupe selon un plan axial particulier. Le fait que le pas de l'hélice des vitesses soit croissant conduit à l'augmentation progressive de l'angle par rapport à l'axe des conduites d'injection de combustible et d'air lorsqu'on se rapproche de la sortie.

La figure 3 est une vue en perspective d'une chambre de combustion intégrée à un dispositif correspondant au deuxième cas ci-dessus et à une configuration dans laquelle le combustible rentre par des conduits aplatis situés dans des plans perpendiculaires à l'axe de la chambre (une des formules évoquées dans la description) alors que l'air rentre par une conduite de forme aérodynamique parallèle à l'axe de la chambre et alimentée à une extrémité. On y remarquera la paroi extérieure (1), l'isolation thermique (2), la paroi intérieure (3) qui est ici de section polyédrique, plus fermée qu'un demi-cylindre, et complétée par des parois planes (14) de chaque côté. Ici, les conduites aplaties (4) sont situées dans des plans perpendiculaires à l'axe et amènent le gaz combustible à partir du caisson (8). Ici, le comburant n'est pas distribué autour des conduites amenant le combustible comme dans le cas précédent mais il est distribué le long du bord de fuite de la tôlerie (15) par une fente. Il est amené dans cette tôlerie (15) dont on notera la forme aérodynamique, par une conduite (16) d'air immergée dans l'isolation du fond de la chambre. On notera l'entrée (17) de la flamme du brûleur d'allumage dans la chambre.

La figure 4 représente une coupe de la chambre vue en perspective sur la figure 3.

Les figures 5,6 et 7sont relatives au troisième cas décrit plus haut.

La figure 5 représente un brûleur à gaz pauvre (20) dans la chambre intérieure (21) d'une chaudière du commerce. On y remarquera la conduite (18) d'alimentation centrale en air, les conduits aplatis aérodynamiques (19) qui transportent et injectent l'air dans l'écoulement à partir de la conduite (18). La conduite (22) amène le combustible C tournant autour de la conduite d'alimentation centrale en air (18).

La figure 6 représente un agrandissement des conduits aplatis et cintrés aérodynamiques (19).

La figure 7 représente une coupe de l'une des conduites aplaties (19) qui injectent l'air dans la chambre représentée figure 5. On y remarquera la fente mince (23) par où l'air est injecté et la forme aérodynamique sommaire de la coupe.

La première version décrite de l'invention peut avantageusement servir dans des installations de gazéification de diverses matières et en particulier de biomasse plus ou moins humide dans laquelle elle permettra de réaliser avantageusement une chambre d'élévation à haute température des gaz intermédiaires du gazéifieur par oxydation partielle de ces gaz par de l'air.

La deuxième version de l'invention décrite ci-dessus peut avantageusement servir dans des installations de gazéification de biomasse compactes et monobloc où elle permettra de réaliser avantageusement une chambre d'élévation à haute température des gaz intermédiaires du gazéifieur par oxydation partielle de ces gaz par de l'air.

La troisième version a des applications industrielles très nombreuses dans la mesure où elle permet avantageusement de faire une post-combustion de gaz pauvre aussi bien en utilisant de l'air froid que de l'air réchauffé et en particulier de faire cette post-combustion en lieu et place d'un brûleur qui alimenterait une chaudière, ce qui rend les chaudières existantes susceptibles d'être alimentées en gaz pauvre, entre autres en gaz de gazéification à l'air de biomasse ou de charbon.

Les applications industrielles du procédé et des dispositifs permettant de le mettre en oeuvre objets du présent brevet ne se limitent pas aux cas cités ci-dessus.

Claims (12)

1. Revendications 1) procédé permettant de réaliser une réaction exothermique entre plusieurs réactifs, le lieu dans lequel se déroule le procédé étant appelé chambre, procédé caractérisé en ce que : a) dans la chambre, les réactifs et les produits de la réaction sont en mouvement de rotation autour d'un axe que l'on appellera axe de la chambre, entraînés dans ce mouvement par mélange de quantité de mouvement des réactifs rentrant dans la chambre et des produits de réaction et réactifs qui y sont ou par l'usage d'un moyen mécanique de mise en rotation, la dimension de la chambre dans la direction de l'axe de rotation étant appelée longueur de la chambre et les faces de la chambre la limitant en longueur b) les réactifs sont injectés dans l'écoulement de façon répartie sur la longueur de la chambre et mélangés aux produits de réaction présents dans la chambre la vitesse de rotation du mélange dans la chambre et les caractéristiques de l'injection des réactifs dans la chambre sont telles que les réactifs sont mélangés aux produits de la réaction en moins d'un tour autour de l'axe de la chambre
2. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les réactifs sont un combustible et un comburant, le procédé étant alors qualifié de procédé de combustion et le réacteur de chambre de combustion.
3. 3) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les produits de réaction sortent par les extrémités de la chambre ou par une bande orientée dans le sens de la longueur de la chambre.
4. 4) Dispositif permettant de mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'injection dans l'écoulement d'au moins l'un des réactifs est faite par au moins une conduite de forme aérodynamique vis-à-vis de l'écoulement, que l'on appellera conduite d'introduction.
5. 5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le fluide qui passe par ladite au moins une conduite d'introduction sort de cette conduite vers l'écoulement par au moins un orifice ou fente situé sur le bord de fuite de cette conduite.
6. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 caractérisé en ce qu'au moins une des conduites d'introduction injectant un réactif dans l'écoulement a une paroi commune avec au moins une conduite injectant un autre réactif dans l'écoulement.
7. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce qu'au moins un tronçon d'une conduite d'introduction est soit parallèle à l'axe de la chambre, soit approximativement perpendiculaire à l'axe de la chambre.
8. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé en ce qu'une ou plusieurs conduites d'introduction sont alimentées soit directement soit par l'intermédiaire d'au moins une conduite de forme aérodynamique vis-à-vis de l'écoulement.
9. 9) Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'au moins une conduite d'alimentation est située approximativement dans l'axe de la chambre.
10. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 9 caractérisé en ce qu'au moins certaines conduites d'introduction sont cintrées pour faciliter le passage des réactifs de la conduite qui alimente ces conduites d'introduction à ces conduites d'introduction.
11. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 10 caractérisé en ce que ladite au moins une conduite d'introduction ainsi que, dans le cas où il y en a, les conduites alimentant cette conduite d'introduction, forment un ensemble pouvant être enfilé dans la chambre de combustion d'une chaudière par l'orifice réservé à l'installation d'un brûleur classique, de sorte que cet ensemble puisse être facilement substitué à un brûleur.
12. 12) Dispositif de gazéification caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une des revendications 4 à 10.