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BRULEUR POREUX A HYDROGENE SANS PREMELANGE
Domaine de l'invention
L'invention concerne un nouveau brûleur poreux à hydrogène destiné à équiper
différents types de fours nécessitant un contrôle précis du flux thermique, en
particulier les fours de vaporeformage du gaz naturel ou de naphta destinés
notamment à la production d'hydrogène.
L'expression brûleur à hydrogène doit être entendue dans un sens large et
signifie
que le combustible du présent brûleur peut être de l'hydrogène pur, mais plus
généralement tout gaz contenant de l'hydrogène.
Le comburant peut être tout gaz contenant de l'oxygène, en particulier de
l'air mais
aussi de l'air enrichi ou appauvri en oxygène. Le comburant peut même dans un
cas
particulier être de l'oxygène pur.
Ce nouveau brûleur rentre dans la catégorie des brûleurs poreux sans pré
mélange,
car il possède un élément poreux séparant le côté combustible du côté
comburant,
la combustion ayant lieu soit à l'intérieur du poreux, soit au voisinage de sa
surface
externe.
Plus précisément, le brûleur objet de la présente invention est un brûleur
poreux au
sens où le combustible et le comburant sont introduits de part et d'autre d'un
élément poreux (également appelé "poreux" par la suite) , la surface interne
de
l'élément poreux étant au contact du combustible, et la surface externe de
l'élément
poreux étant au contact du comburant.
Le combustible et le comburant diffusent chacun de leur côté du poreux et se
rencontrent:
-soit à l'intérieur dudit poreux selon une certaine surface de chauffe Sur
laquelle va
se développer une combustion interne. On parle alors de fonctionnement en mode
radiant ou de brûleur radiant.
-soit au voisinage de la surface externe du poreux côté comburant.
Les avantages d'un brûleur poreux par rapport à un brûleur produisant une
flamme,
que cette flamme soit une flamme de diffusion ou de prémélange, sont :
- une réduction des émissions polluantes
- une combustion selon une géométrie plus contrôlée que celle d'une combustion
à
flamme qui peut poser en outre des problèmes de stabilité,
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- une durabilité des équipements nettement améliorée car une combustion
diluée limite le risque de points chauds,
- la possibilité d'incorporer au sein de l'élément poreux un catalyseur de
combustion
permettant d'abaisser la température de combustion jusqu'à une valeur voisine
de
500 C.
Le brûleur selon l'invention est donc un brûleur poreux, sans prémélange,
possédant
en outre un organe de distribution du combustible qui permet de contrôler le
flux
thermique selon la dimension principale dudit brûleur que nous appellerons
conventionnellement longueur du brûleur.
Le contrôle du flux thermique se réalise par un ensemble d'orifices percés à
la
surface du distributeur et regroupés dans des tronçons. Chaque tronçon
regroupe
les orifices de même diamètre.
La distribution de ces orifices tout au long du distributeur fait partie
intégrante de
l'invention. En général, le brûleur selon la présente invention possédera un
distributeur de combustible ayant au moins deux tronçons, chaque tronçon étant
caractérisé par un diamètre d'orifices donné et occupant une certaine fraction
de la
longueur L du brûleur.
Il convient de noter que le combustible et le comburant arrivant par les deux
côtés
opposés de l'élément poreux, ce dernier ne joue pas le rôle d'un organe de pré
mélange, mais au contraire d'une zone de séparation du combustible et du
comburant.
Par ailleurs, les conditions hydrodynamiques, et notamment la vitesse du
combustible dans l'espace annulaire séparant le distributeur de l'élément
poreux,
joue un rôle important puisque la stabilité de la flamme est assurée dans un
intervalle restreint de débits. Si le débit est trop faible, la flamme peut
s'éteindre,
tandis que si le débit est excessif, la flamme peut être soufflée.
Examen de l'art antérieur
L'art antérieur dans le domaine des brûleurs poreux est très vaste et on se
limitera
aux brevets qui font état d'un combustible hydrogène, ou majoritairement
hydrogène,
en respectant une géométrie globalement cylindrique.
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Le brevet US 5,810,577 décrit un brûleur catalytique poreux comportant deux
chambres de combustion la première chambre de combustion étant alimentée par
le
combustible et la seconde chambre étant alimentée par l'effluent de combustion
issu
de la première chambre, les deux chambres étant séparées par une barrière
catalytique poreuse, d'une porosité supérieure à 50 %, et ayant une taille de
pores
comprise entre 1 nm et 1 mm, l'épaisseur de la dite barrière étant comprise
entre
0,05 et 10mm.
Le brevet US 6,699,032 décrit un dispositif pour le stockage d'un gaz
combustible
qui comprend un système de combustion des gaz s'échappant au travers d'une
soupape de sécurité, le dit système de combustion consistant en un brûleur
comportant un corps poreux entourant un distributeur de combustible.
La
distribution du combustible est uniforme et le corps poreux joue le rôle d'une
zone
de diffusion ou de mélange entre le combustible et le comburant.
Description sommaire des figures
La figure 1 représente une vue du brûleur selon l'invention dans sa version en
simple tube.
La figure 2 représente une vue du brûleur selon l'invention dans une version
plus
élaborée dans laquelle le comburant est introduit dans un premier espace
attenant à
l'élément poreux, et les fumées issues de la combustion sont récupérées dans
un
second espace entourant le premier espace.
La figure 3 représente une vue plus précise du distributeur de combustible et
un
exemple de profil de flux thermique résultant.
La figure 4 donne une représentation schématique d'un arrangement de brûleurs
selon l'invention au sein d'un ensemble de tubes à chauffer.
La figure 5 est une courbe donnant la variation de la vitesse radiale du
combustible
à la surface externe de l'élément poreux selon l'axe longitudinal du brûleur.
La
courbe en trait pointillé correspond à une distribution d'orifice uniforme, et
la courbe
en trait plein correspond à une distribution d'orifices selon l'invention.
Elle est
détaillée dans le cadre de l'exemple ci-après.
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La figure 6 représente l'évolution de la consommation d'hydrogène Y(H2), selon
la
direction joignant le centre du brûleur à celui du tube à chauffer, dite
direction centre
à centre et est également détaillée dans le cadre de l'exemple ci-après.
Description sommaire de l'invention
Le brûleur à hydrogène selon la présente invention tel que ci-après est un
brûleur
sans prémélange, de géométrie cylindrique de longueur L et de diamètre D, avec
un
rapport L/D compris entre 10 et 500, et préférentiellement compris entre 30 et
300.
Le brûleur selon l'invention possède un distributeur central d'hydrogène avec
une
répartition d'orifices non uniforme, et possède un élément poreux de forme
annulaire entourant le distributeur central au moins sur toute sa longueur L,
l'épaisseur dudit élément poreux étant comprise entre 0,1 et 2 cm, la surface
interne
dudit poreux étant située à une distance du distributeur central comprise
entre 0,5
cm et 10 cm.
Le brûleur à hydrogène selon l'invention telle que revendiquée est toutefois
plus
précisément un brûleur à hydrogène, sans prémélange, de géométrie cylindrique
de
longueur L et de diamètre D, avec un rapport L/D compris entre 10 et 500,
possédant un distributeur central d'hydrogène avec une répartition d'orifices
non
uniforme, et possédant un élément poreux de forme annulaire entourant le
distributeur central au moins sur toute sa longueur L, ladite longueur L étant
comprise entre 2 et 15 mètres, et la porosité dudit élément poreux étant
supérieure
à 50%, l'épaisseur dudit élément poreux étant comprise entre 0,1 et 2 cm, la
surface interne dudit poreux étant située à une distance du distributeur
central
comprise entre 0,5 cm et 10 cm, le distributeur central étant divisé en au
moins
deux tronçons, chaque tronçon ayant des orifices de diamètre croissant avec la
distance axiale le long du distributeur dans le sens d'écoulement du
combustible, et
chaque tronçon ayant une longueur variant entre 10 mm et 2 mètres.
Ce distributeur du brûleur est de préférence divisé en un certain nombre de
tronçons, la longueur de chaque tronçon variant de 10 mm à 2 m, et
préférentiellement de 20 mm à 1,5 m.
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Le brûleur à hydrogène selon la présente invention possède de préférence un
distributeur central de combustible, ledit distributeur central est de
préférence divisé
en au moins deux tronçons, chaque tronçon ayant des orifices de même diamètre,
et au moins un tronçon ayant des orifices d'un diamètre différent de celui des
autres
tronçons.
De manière plus préférée, le distributeur central est divisé en au moins deux
tronçons, chaque tronçon ayant des orifices de diamètre croissant avec la
distance
axiale le long du distributeur, dans le sens d'écoulement du combustible.
De manière encore plus préférée, le distributeur central est divisé en au
moins deux
tronçons, chaque tronçon ayant des orifices de diamètre croissant selon une
loi de
type exponentiel, dans le sens de l'écoulement du combustible.
La distance centre à centre des orifices d'un même tronçon est généralement
comprise entre 0,5 cm et 50 cm, et préférentiellement entre 1 cm et 20 cm.
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La longueur L du brûleur est généralement comprise entre 2 et 15 m, et
préférentiellement comprise entre 5 et 12 mètres.
L'élément poreux faisant partie intégrante du brûleur selon l'invention
présente de
préférence une porosité d'au moins 50%, et plus préférentiellement d'au moins
80%.
5 L'élément poreux peut dans certains cas posséder au moins deux zones de
porosité
différente.
Le combustible, généralement de l'hydrogène, est de préférence introduit dans
le
distributeur central à une pression comprise entre 0, 1 et 10 MPa.
Selon une variante du brûleur selon l'invention, le comburant est de manière
préférée introduit dans un premier espace annulaire entourant l'élément poreux
du
brûleur, et les gaz de combustion sont collectés dans un second espace
annulaire
entourant le premier espace annulaire.
Le comburant circule de préférence selon une direction sensiblement parallèle
à
l'axe longitudinal du brûleur à une vitesse comprise entre 1 m/s et 100 m/s,
et
préférentiellement de 3 à 80 m/s.
La vitesse radiale moyenne du combustible rapportée à la surface interne du
poreux
est généralement comprise entre 2 mm/s et 100 cm/s, et préférentiellement
entre 0,5
cm/s et 10 cm/s.
Le brûleur selon la présente invention peut s'appliquer à tout type de four
nécessitant un chauffage bien contrôlé des tubes sur toute leur longueur, en
particulier à des fours de vaporeformage de gaz naturel ou de naphta.
Description détaillée de l'invention
La description détaillée du brûleur selon l'invention est réalisée au moyen de
la
figure 1 dans la version de base et de la figure 2 dans la version élaborée.
La figure 3 donne une vue plus précise du distributeur de combustible et est
valable
aussi bien dans la configuration de base que dans la configuration évoluée.
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Les numéros utilisés sont les mêmes lorsqu'ils désignent les mêmes éléments,
quelle que soit la figure.
Le brûleur dans sa version de base comprend:
a) un distributeur de combustible central (1) comportant un certain nombres
d'orifices (8) regroupés en famille, une famille correspondant à un diamètre
d'orifice
donné.
Le distributeur sera généralement de forme cylindrique avec un rapport L/D
compris
entre 10 et 500.
Dans le cadre de la présente invention, ce distributeur est alimenté par le
combustible qui est disponible à une pression de préférence comprise entre 0,1
et
10 MPa.
Le combustible peut être n'importe quel gaz combustible contenant de
l'hydrogène
en proportion quelconque, et être éventuellement de l'hydrogène pur.
b) un élément poreux (2) de forme annulaire entourant le distributeur central
au
moins sur toute la longueur dudit distributeur, et ayant une épaisseur
comprise entre
0,1 et 2 cm, la distance séparant le distributeur de la surface interne de
l'élément
poreux étant comprise entre 0,5 et 10 cm. La surface interne est définie comme
étant celle qui est la plus proche du distributeur.
L'élément poreux entoure le distributeur au sens où il possède au moins la
même
longueur que le distributeur, et dans certains cas, une longueur plus
importante qui
permet de dégager un espace entre l'extrémité du distributeur et la paroi
interne
dudit poreux permettant d'améliorer le degré de combustion du gaz de
combustion.
La porosité de l'élément poreux est au moins de 50% et préférentiellement
supérieure à 80 %. Ladite porosité est définie comme le rapport du volume vide
au
volume géométrique d'une partie quelconque de l'élément poreux.
Cette porosité est généralement homogène sur l'ensemble de la longueur de
l'élément poreux, mais il est possible de la différencier sur certains
éléments de
longueur. Par exemple on peut avoir une première fraction de la longueur du
poreux
avec une porosité P1 et une seconde fraction de la longueur du poreux avec une
porosité P2 différente de P1.
Cet élément poreux sera typiquement composé d'une mousse métallique faite d'un
alliage de différents métaux dont par exemple le fer, le chrome, l'aluminium,
le titane
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ou le zirconium, et dans certains cas l'yttrium. Un exemple d'un tel alliage
est le
matériau FeCrAlY commercialisé par la société PORVAIR. L'élément poreux peut
également être constitué d'une mousse céramique, par exemple en mullite ou en
cordiérite.
La taille des pores est généralement comprise entre 0,2 et 0,6 mm.
L'espace séparant le distributeur (1) de l'élément poreux (2), appelé espace
annulaire (3), joue un rôle important dans le fonctionnement du brûleur selon
l'invention puisque le combustible issu du distributeur possède une certain
profil
longitudinal de flux qu'il doit conserver au mieux à l'entrée dans l'élément
poreux.
Pour ce faire, la vitesse linéaire du combustible à l'intérieur de l'espace
annulaire
doit de préférence avoir une valeur suffisamment élevée, car il est connu que
des
vitesses trop faibles favoriseraient la diffusion longitudinale du combustible
à
l'intérieur de l'espace annulaire (3).
Par ailleurs, l'obtention de la combustion à l'intérieur de l'élément poreux
ou au
voisinage de sa surface externe, est généralement plus facilement réalisée
lorsque
la vitesse du combustible à l'intérieur de l'élément poreux reste de
préférence
supérieure à la vitesse de diffusion du comburant.
De préférence, la vitesse du combustible ne doit néanmoins pas dépasser une
valeur limite pour permettre au comburant de diffuser à l'intérieur de
l'élément
poreux.
La prise en compte et l'optimisation de ces deux conditions conduisent à
adopter
une vitesse du combustible à l'entrée de l'élément poreux comprise entre 2
mm/s et
1,0 m/s, et préférentiellement comprise entre 0,5 cm/s et 10 cm/s. Cette
vitesse est
précisément définie comme la vitesse prise selon un axe perpendiculaire à
l'axe
longitudinal du brûleur, qu'on appellera conventionnellement vitesse radiale.
Cette
vitesse est donc normale à la surface du poreux.
Dans la version évoluée du brûleur selon l'invention, le volume extérieur à
l'élément
poreux (2) est divisé au moyen d'une paroi (6) sensiblement parallèle à la
surface
externe de l'élément poreux (2) et de forme sensiblement cylindrique, en un
premier
espace (4) compris entre la surface externe de l'élément poreux (2) et ladite
paroi
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(6), et un second espace (5) correspondant au volume situé à l'extérieur de la
paroi
(6).
Ce volume extérieur à la paroi (6) peut être limité par une seconde paroi (7)
sensiblement parallèle à la paroi (6) et délimitant entre ladite paroi (6) et
la dite paroi
(7) le second espace (5). De manière préférée, ce second espace (5) sera un
espace communiquant avec le premier espace (4) par sa partie inférieure, la
paroi
sensiblement verticale (7) étant alors reliée à une paroi sensiblement
horizontale (8),
les parois (7) et (8) constituant alors une enceinte enfermant le brûleur
selon
l'invention.
Dans la version élaborée du brûleur selon la présente invention, le comburant
est
admis dans l'espace (4), rejoint le combustible à l'intérieur de l'élément
poreux (2) ou
au voisinage de la surface externe dudit élément poreux (2) en produisant une
combustion qui génère des gaz de combustion qui se retrouvent dans le premier
espace (4) et sont évacués en passant dans le second espace (5).
De préférence la vitesse linéaire du comburant introduit dans l'espace (4) est
comprise entre 1 et 100 m/s et préférentiellement entre 3 m/s et 80 m/s, et la
vitesse linéaire de circulation des gaz de combustion dans l'espace (5) est de
préférence comprise entre 2 et 150 m/s.
Exemple illustrant l'invention
L'exemple suivant est destiné à démontrer les effets du brûleur selon
l'invention du
point de vue de la consommation de combustible et de la température selon une
direction joignant les centres du brûleur et du tube destiné à être chauffé.
Dans une application du brûleur au chauffage des tubes d'un réacteur de
vaporéformage de méthane, la configuration géométrique est présentée sur la
figure
4.
Des tubes (T) contenant le fluide à chauffer et des brûleurs selon l'invention
(B) sont
disposés en quinconce avec un pas carré.
La distance séparant le centre du brûleur du centre du tube à chauffer est de
210
mm.
La longueur des brûleurs est de 12 mètres, le distributeur de chacun des
brûleurs
ayant une longueur de 10 mètres.
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le rapport L/D de chaque brûleur est de 120.
La distance entre le distributeur et la paroi interne de l'élément poreux est
de 15
mm.
L'épaisseur de l'élément poreux est de 1 cm.
Le distributeur est divisé en 10 tronçons de longueur 1m. Chaque tronçon
génère
une surface totale des orifices disposés sur le tronçon considéré.
Un tronçon est défini comme une portion de distributeur ayant des orifices de
même
diamètre.
La surface totale des orifices de distribution est précisée dans le tableau 2
dans 2
cas:
- Le cas 1 correspond à des orifices de taille uniforme sur l'ensemble du
distributeur.
La surface de l'ensemble des orifices correspondant à un tronçon de lm est de
15,7
cm2. Ce cas ne correspond pas à l'invention. Il est donné à titre comparatif.
- Le cas 2 ( selon l'invention) correspond à des orifices de taille croissante
selon la
distance longitudinale du brûleur, la croissance de la surface totale des
orifices d'un
tronçon au suivant étant de type exponentielle. Ce cas correspond à
l'invention.
Les débits de réactifs et les conditions de température et de pression sont
indiqués
dans le tableau 1.
La figure 5 montre que dans le premier cas, la vitesse radiale ( Ur) du
combustible à
la surface externe de l'élément poreux présente une variation importante le
long de
l'axe longitudinal (d) du brûleur. La courbe correspondant au premier cas est
en
pointillé sur la figure 5.
Dans le second cas, du fait de la loi de distribution des orifices, la vitesse
radiale
(Ur) du combustible est beaucoup plus homogène tout au long de l'axe
longitudinal
(d) du brûleur. Cette meilleure homogénéité de la vitesse radiale (Ur) assure
un flux
de chaleur sensiblement constant tout au long du tube. La courbe correspondant
à
ce second cas est en trait plein sur la figure 5. Ce point est
particulièrement
= important avec des tubes dont la longueur est de 12 mètres.
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La figure 6 représente l'évolution de la consommation d'hydrogène Y(H2), selon
la
direction joignant le centre du brûleur à celui du tube à chauffer, dite
direction centre
à centre. L'origine des distances (r) selon cette direction est
conventionnellement
choisie à la surface externe de l'élément poreux du brûleur considéré. Les
valeurs
5 Y(H2) se lisent en ordonnée sur la gauche de la figure 6.
La figure 6 montre que la quantité d'hydrogène Y(H2), diminue rapidement selon
la
direction centre à centre. Pratiquement 90 % de l'hydrogène introduit est
consommé
sur une distance de 10 mm, ce qui signifie par voie de conséquence, que la
zone de
10 combustion se situe à proximité du poreux. On est donc dans le cas d'une
combustion bien localisée.
La figure 6 montre également (sur la droite de la figure 6) l'évolution de la
température T des gaz de combustion selon la direction centre à centre (0 C=
273
K).
Cette température présente un maximum de 1800 K au voisinage de la surface
externe de l'élément poreux, soit dans le cas de l'exemple, à 10 mm de la dite
surface externe. La température T diminue ensuite jusqu'à atteindre une valeur
inférieure ou égale à 1200 K. Cette valeur est compatible avec des matériaux
non
réfractaires, ce qui est particulièrement intéressant dans le choix de la
métallurgie
des tubes et dans l'économie du procédé.
Comburant Combustible
Pression absolue (MPa)
0,43 0,43
Débit massique (kg.s-1)
1,084 0,00848
T entrée ( C)
800 800
Composition (% massique)
14,6% 02 47,8% H2
8,8% H20 25,7% CH4
1,4%CO2 1,7 /0 CO
23,0% CO2
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Tronçon 0-1m 1-2m 2-3m 3-4m 4-5m 5-6m 6-7m 7-8m 8-9m 9-10m
Surface 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7
totale
des trous
sur le
tronçon
cas 1
(cm2)
Surface 1,57 3,45 5,12 7,59 11,3 16,7 24,8 36,7 54,4 80,7
totale
des trous
sur le
tronçon
cas 2
(cm2)
Tableau 2
