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CA 02740639 2011-04-13
WO 2010/052420 PCT/FR2009/052118
DISPOSITIF DE BRULEUR D'OXYCOMBUSTION
L'invention concerne un dispositif de brûleur compact
d'oxycombustion.
Les nouvelles réglementations en matière d'émissions de dioxyde
de carbone ont fait se développer le domaine de l'oxycombustion de
combustibles fossiles, technologie applicable dans les chaudières
industrielles et les grandes centrales de production d'électricité. Les
fumées produites sont alors concentrées en dioxyde de carbone sans
dilution par de l'azote, ce qui réduit la capture du dioxyde de carbone à
une condensation et à une purification vis à vis d'éléments en traces et
à un conditionnement avant transport puis stockage souterrain.
Mais l'inconvénient majeur de la production d'oxygène par voie
de distillation, pour une utilisation à grande échelle est la consommation
importante d'appareillages auxiliaires électriques pour entraîner les
divers compresseurs. C'est ainsi que des consommations typiques de
250 KWh par tonne d'oxygène sont nécessaires, dépendantes du niveau
de pureté recherché dans l'oxygène produit.
Un autre inconvénient majeur est la très forte consommation
d'eau de refroidissement, nécessaire pour évacuer les pertes de ces
compresseurs. Ceci constitue un véritable point de blocage dans la
localisation de futures centrales et dans la conversion de celles-ci à
l'oxycombustion.
Ces inconvénients se traduisent par une perte de rendement des
centrales d'environ dix points, ce qui annule les développements de
rendements des centrales à combustibles solides d'origine fossile
effectués depuis quarante ans, et entraîne une augmentation très
importante des coûts de production d'électricité. La faisabilité de
l'adaptation de l'oxycombustion au parc mondial de chaudières est
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directement liée au verrou que constitue la production massive
d'oxygène à coût minimum.
Les brûleurs existants en oxycombustion sont dérivés des
brûleurs à air puisque la teneur en oxygène ne dépasse pas 30 % en
volume. Ils possèdent des pertes de charges plus élevées pour des
raisons de stabilisation d'écoulement et de non retour de réactants
injectés.
Des alternatives sont proposées pour réduire la pénalité
énergétique, par la production d'oxygène haute température, mais un
autre problème reste à résoudre concernant le système de brûleurs qui
doit être adapté à ce mélange oxygène/vapeur d'eau/ dioxyde de
carbone recyclé qui est admis aux brûleurs dans la plage 300 à 800 C,
soit très au-dessus de la température maximum admise de 250 voire
300 C. Un tel oxygène est extrêmement réactif vis à vis des
combustibles fossiles carbonés, ce qui engendre de nouveaux dangers.
Il est par ailleurs industriellement connu que le mélange de
fluides à haute température est difficile à réaliser, compte tenu des
viscosités mises en jeu et des limitations de tenue des matériaux.
Un brûleur d'injection d'un mélange de gaz oxydant chaud et de
combustible est décrit dans le document de brevet BE 586 047.
Le contact entre le gaz oxydant et le combustible s'y effectue par
un mouvement hélicoïdal rapide imposé aux constituants du mélange.
Ce mouvement hélicoïdal est imprimé au gaz oxydant et au combustible
par leur introduction dans une enceinte appropriée, à la manière d'un
cyclone.
Le combustible est alimenté par une conduite axiale à une
extrémité de l'enceinte composé d'une enveloppe métallique garnie
intérieurement d'un matériau réfractaire. L'enceinte se termine par un
convergent de sortie.
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L'arrivée du gaz oxydant s'effectue de façon radiale par des
ouvertures disposées de façon décalée axialement dans l'enceinte afin
de former le mouvement hélicoïdal du mélange du combustible et du
comburant.
L'objet de l'invention est de concevoir un brûleur de ce type
fonctionnant en oxycombustion avec une haute température d'oxygène
issu d'une unité non conventionnelle de production d'oxygène, sachant
que la teneur en oxygène à l'entrée du brûleur est bien supérieure à la
teneur en oxygène dans l'air de 20,79 % et peut atteindre plus de 60 %
en volume.
Enfin de tels brûleurs doivent pouvoir être adaptés à des foyers
avec des architectures variées de brûleurs et d'écoulements soit du type
tangentiel, soit de type frontal, soit de type voûte. De plus ces brûleurs
doivent pouvoir être installés sur des chaudières industrielles nouvelles
ou existantes dont les foyers sont très compacts.
Pour ce faire, l'invention propose un dispositif de brûleur
comportant une enceinte comportant à une première extrémité une
conduite axiale d'entrée de combustible et présentant à une seconde
extrémité opposée une sortie du mélange de ce combustible avec un
gaz oxydant, ce gaz oxydant étant introduit dans ladite enceinte au
moyen d'une série de premières entrées d'injection du gaz oxydant
disposées à proximité de ladite première extrémité, de manière à
former un premier mouvement hélicoïdal axial du mélange à l'intérieur
de ladite enceinte, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte au moins
une seconde entrée d'injection du gaz oxydant disposées à proximité de
ladite seconde extrémité de l'enceinte, l'axe d'injection de cette seconde
entrée coupant l'axe longitudinal de ladite enceinte, de manière à
former un second mouvement hélicoïdal de section annulaire du
mélange à l'intérieur de ladite enceinte, de direction opposée à celle
dudit premier mouvement hélicoïdal axial.
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Grâce à cette seconde entrée du gaz oxydant, il est créé un
écoulement similaire à celui existant dans un cyclone à écoulement
renversé, à fond obturé par le niveau de solides entrant, et une
protection de la zone en général divergente de retournement par une
couche barrière de gaz redonnant à nouveau une structure hélicoïdale à
l'écoulement en train de prendre une direction axiale opposée, afin
d'éviter un écoulement désordonné préjudiciable au temps de séjour et
favorisant les collages.
Le double mouvement hélicoïdal créé procure un temps de
séjour important en température du mélange de gaz oxydant et du
combustible et une turbulence propice à un bon mélange.
La zone annulaire de gaz injecté par la seconde entrée
d'injection protège les parois du dispositif de brûleur contre les
accrochages de solides de combustible et de leurs cendres.
L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures
ne représentant que des modes de réalisation préférés de l'invention.
La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un dispositif de
brûleur selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 est une vue schématique illustrant la structure de
l'écoulement du mélange de combustible et de gaz oxydant dans un tel
dispositif de brûleur.
La figure 3 est une vue de côté de ce dispositif de brûleur.
La figure 4 est une vue de détail de l'orientation des injecteurs
d'un tel dispositif de brûleur.
La figure 5 est une vue en coupe verticale d'un dispositif de
brûleur selon un second mode de réalisation de l'invention.
La figure 6 est une vue de côté d'un tel dispositif de brûleur.
Les figures 1 à 3 représentent un premier mode de réalisation
de l'invention.
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Le dispositif de brûleur comporte une enceinte 1 comportant à
une première extrémité une conduite axiale 1A d'entrée de combustible
C et présentant à sa seconde extrémité opposée une sortie du mélange
de ce combustible avec un gaz oxydant 1D. L'enceinte comporte une
5 partie convergente 1D tronconique ouverte de sortie du mélange du
combustible avec le gaz oxydant vers le foyer 3.
Le gaz oxydant G est introduit dans l'enceinte 1 au moyen
d'une série de premières entrées d'injection 2A, 2B du gaz oxydant
disposées à proximité de la première extrémité, autour d'une partie
divergente 1C, de manière à former un premier mouvement hélicoïdal
axial MH1 du mélange à l'intérieur de l'enceinte.
Le dispositif comporte également une série de secondes
entrées d'injection 4A, 4B réparties autour de la partie convergente
ouverte de sortie du mélange 1D, disposées à proximité de ladite
seconde extrémité de l'enceinte, l'axe d'injection de ces secondes
entrées coupant l'axe longitudinal X de l'enceinte, de manière à former
un second mouvement hélicoïdal MH2 de section annulaire du mélange
à l'intérieur de l'enceinte, de direction opposée à celle dudit premier
mouvement axial MH1.
La partie divergente 1C et la partie convergente 1D sont
inclinées par rapport à l'axe longitudinal X du dispositif de brûleur, d'un
angle compris entre 20 et 80 degrés et de préférence d'un angle égal à
45 degrés.
La figure 2 illustre la structure de l'écoulement du mélange de
combustible et de gaz oxydant dans un tel dispositif de brûleur.
Les premières entrées 2A, 2B de part leur inclinaison et leur
répartition sur une partie divergente 1C à la première extrémité de
l'enceinte, autour de la conduite d'entrée du combustible, induisent
donc un mouvement hélicoïdal axial MH, symbolisé par une flèche sur
cette figure.
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Les secondes entrées 4A, 4B de part leur inclinaison et leur
répartition sur une partie convergente 1D à la seconde extrémité de
l'enceinte, autour de la sortie du mélange 1B, induisent par l'effet
centrifuge EC un second mouvement hélicoïdal MH2 qui, en fin de
trajectoire axiale, par butée sur la partie divergente 1C de la première
extrémité de l'enceinte, se renverse et vient se joindre au premier
mouvement hélicoïdal MH1, pour former une structure d'écoulement
hélicoïdale complexe de forte turbulence.
Comme illustré sur la figure 3, les premières 21 et secondes 41
entrées de gaz sont identiquement angulairement régulièrement
réparties autour de l'enceinte. Elles peuvent être au nombre de six
espacées angulairement d'un angle de 60 , au nombre de quatre
espacées angulairement d'un angle de 900 ou au nombre de trois
espacées angulairement d'un angle de 120 .
Comme illustré sur le figure 4, les secondes entrées d'injection
41 sont inclinées par rapport à une ligne perpendiculaire à la paroi de la
partie convergente de sortie 1D sur une zone angulaire avec un angle a
de 20 à 80 degrés, préférentiellement de 45 degrés.
Il en est de même des premières entrées d'injection 21, par
rapport à la partie divergente 1C.
Les jets d'injection des premières et secondes entrées
d'injection peuvent être de section circulaire ou de section
rectangulaire.
Les figures 5 et 6 représentent un second mode de réalisation
de l'invention.
Le dispositif de brûleur comporte une enceinte 1' comportant à
une première extrémité une conduite axiale l'A d'entrée de combustible
C et présentant à sa seconde extrémité opposée une sortie du mélange
de ce combustible avec un gaz oxydant 1'B.
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Le gaz oxydant G est introduit dans l'enceinte 1 au moyen
d'une série de premières entrées d'injection 2'A, 2'B du gaz oxydant
disposées à proximité de la première extrémité, de manière à former un
premier mouvement hélicoïdal axial MH1 du mélange à l'intérieur de
l'enceinte.
Le dispositif comporte également une seconde entrée
d'injection 4' disposée tangentiellement à l'enceinte et à proximité de la
seconde extrémité de l'enceinte, l'axe d'injection de cette seconde
entrée étant perpendiculaire à l'axe longitudinal X de l'enceinte, de
manière à former un second mouvement hélicoïdal MH2 de section
annulaire du mélange à l'intérieur de l'enceinte, de direction opposée à
celle dudit premier mouvement annulaire axial MH1.
De même que selon la premier mode de réalisation, cette
injection tangentielle induit le second mouvement hélicoïdal MH2 de
section annulaire qui vient buter et se retourner contre la paroi
divergente 1'C et se joindre au premier mouvement hélicoïdal axial
MH1.
L'utilisation du dispositif de brûleur conforme à l'invention,
consiste à utiliser en tant que gaz oxydant, un mélange d'oxygène, de
vapeur d'eau et de dioxyde de carbone recyclé, avec une teneur en
oxygène pouvant atteindre plus de 60% en volume. Ce gaz oxydant est
injecté à une température comprise entre 300 à 800 C et à une vitesse
d'injection comprise entre 50 et 250 m/s.
L'enceinte 1, l' peut être de section circulaire ou polygonale.
Elle est de préférence tubée avec un réfractaire mince conducteur tel
que du carbure de silicium pour abaisser au maximum la température
de peau et éviter les collages sur les parois mais elle peut aussi être
métallique et garnie de réfractaires isolants.
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Ce dispositif de brûleur s'applique à tout type de combustible
solide, liquide ou gazeux, d'origine fossile ou non. L'implantation de ce
dispositif de brûleur peut être horizontale, verticale ou inclinée.
Le dispositif de brûleur conforme à l'invention est également
applicable au réformage autothermique de gaz de synthèse (CO, C02,
H2, H20, CH4, CnHm) contenant des goudrons, et dit le combustible ci-
dessus, afin de craquer à 1200 degrés et au-delà, le CH4 et les
goudrons contenus qui sont inacceptables pour une synthèse chimique
en aval tel que la fabrication de carburants de transport ou de gaz
synthétique.
