Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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WO 2014/125210 PCT/FR2014/050271
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INSTALLATION DE PRODUCTION ET DE TRAITEMENT DE FUMEES
La présente invention concerne une installation de production et de traitement
de fumées.
Elle concerne plus particulièrement une installation de production et de
traitement de fumées du type comprenant au moins :
- un générateur de fumées comportant au moins un brûleur, une chambre de
combustion comportant au moins une zone, appelée foyer de combustion, dans
laquelle la flamme du brûleur est apte à s'étendre, et une sortie d'évacuation
des fumées de ladite chambre,
- une enceinte de confinement des fumées produites par le générateur de
fumées, cette enceinte comportant une entrée reliée à la sortie d'évacuation
de
fumées de la chambre de combustion et une sortie raccordée au générateur de
fumées par un circuit de recirculation des fumées, le débouché dans la
chambre de combustion du générateur de fumées dudit circuit de recirculation
étant appelé tête d'alimentation en fumées.
De telles installations sont bien connues à ceux versés dans cet art comme
l'illustre les demandes de brevet FR 2.961.291, FR2291454 et
US20090060779. Toutefois, jusqu'à présent, les rendements sont faibles et la
consommation en combustible reste élevée.
Un but de la présente invention est donc de proposer une installation du type
précité dont la conception permet d'augmenter le rendement et de réduire la
consommation en combustible du brûleur.
A cet effet, l'invention a pour objet une installation de production et de
traitement de fumées du type comprenant au moins :
- un générateur de fumées comportant au moins un brûleur muni d'une tuyère,
une chambre de combustion comportant au moins une zone, appelée foyer de
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combustion, dans laquelle la flamme du brûleur est apte à s'étendre, et une
sortie d'évacuation des fumées de ladite chambre,
- une enceinte de confinement des fumées produites par le générateur de
fumées, cette enceinte comportant une entrée reliée à la sortie d'évacuation
de
fumées de la chambre de combustion et une sortie raccordée au générateur de
fumées par un circuit de recirculation des fumées, le débouché dans la
chambre de combustion du générateur de fumées dudit circuit de recirculation
étant appelé tête d'alimentation en fumées,
caractérisée en ce que ladite chambre de combustion comporte un écran dit
pare-flamme de protection de la tête d'alimentation, de la flamme du brûleur,
cet écran de protection de la tête d'alimentation, de la flamme du brûleur
étant
interposé entre le foyer de combustion et la tête d'alimentation en fumées, en
ce que l'entrée des fumées dans l'enceinte de confinement est disposée dans
le tiers supérieur, de préférence dans le quart supérieur, de ladite enceinte
et
en ce que l'enceinte de confinement est équipée, en sus de sa sortie raccordée
au générateur de fumées, d'une sortie obturable d'évacuation des condensats
à ouverture/fermeture commandée en fonction du niveau des condensats à
l'intérieur de l'enceinte, ladite sortie étant disposée en partie basse de
l'enceinte de confinement,
et en ce que la tête d'alimentation en fumées est réalisée au moins
partiellement en fer, et est située du côté de la tuyère opposé au brûleur.
Une telle installation présente un rendement élevé, ne nuit pas visuellement
ou
physiquement à l'environnement avec des rejets de fumées et permet une
économie en combustible du fait des réactions chimiques prenant place à
l'intérieur de ladite installation.
La tuyère, de préférence de forme cylindrique, qui prolonge le brûleur permet
de guider la flamme, en particulier en direction de la tête d'alimentation. La
tête
d'alimentation est ainsi située au niveau de l'extrémité libre de la tuyère,
de
préférence dans l'axe de la tuyère, ce qui permet de chauffer la tête
ferrique,
Cette tête ferrique forme un réacteur endothermique qui permet de générer une
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réaction de recombinaison de type Fischer¨Tropsch avec les fumées
recirculées, la flamme du brûleur et le fer de la tête d'alimentation.
En particulier, les fumées sont renvoyées par le circuit de recirculation dans
la
partie la plus chaude de la flamme du brûleur guidée par la tuyère. Par effet
Fischer¨Tropsch le carbone imbrûlé est recombiné avec l'hydrogène grâce au
catalyseur ferrique formé par la tête d'alimentation, puis l'hydrocarbure
ainsi
recombiné est brûlé par la flamme du brûleur.
Autrement dit, la tuyère est située entre le brûleur et la tête d'alimentation
ferrique de sorte que les fumées recirculées débouchent dans l'axe de la
flamme, en particulier dans la partie bleue, c'est-à-dire la partie plus
chaude,
de la flamme.
Avantageusement, le volume de l'enceinte de confinement est au moins égal
au volume d'entrée d'air admissible par le brûleur pendant une heure.
Ainsi, les fumées sont réinjectées au niveau du foyer du brûleur, c'est-à-dire
dans la flamme du bruleur en aval de l'entrée d'air frais et non pas dans
l'entrée d'air frais comme c'est le cas avec les solutions connues de l'état
de la
technique.
Grâce à la solution selon l'invention, les fumées sont peu chargées car
l'entrée
d'air frais est non polluée et lesdites fumées peu chargées sont rebrûlées au
dans la flamme du brûleur. La solution selon l'invention, permet ainsi
d'obtenir
une diminution de consommation de carburant de l'ordre de 15%.
A l'inverse, dans le document FR2291454 connu de l'état de la technique, les
fumées sont recirculées en étant renvoyées au niveau de l'entrée d'air frais
du
brûleur, de sorte que l'air entrant est pollué et ce qui dégrade le rendement
de
l'installation. Dans le document US20090060779 connu de l'état de la
technique, les fumées recirculées sont aussi envoyées dans l'air frais du
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brûleur ce qui provoque l'étouffement du brûleur.
Préférentiellement, l'enceinte de confinement est exempte de cheminée qui
reste ouverte à l'air libre.
Selon un aspect particulier de l'invention, l'enceinte de confinement est
dépourvue de conduit débouchant dans le premier tiers de l'enceinte de
confinement, c'est-à-dire dans la zone destinée à contenir les condensats
issus
des fumées.
A l'inverse, dans le document FR2291454, les fumées débouchent dans l'eau
présente au fond de l'enceinte de confinement ce qui pollue l'eau en CO2 et
en azote, tandis que selon l'invention les fumées débouchent uniquement
dans le haut de l'enceinte de confinement de sorte que l'eau des condensats
présente une grande pureté et est utilisable directement par exemple pour
l'irrigation.
Préférentiellement, le volume de l'enceinte de confinement est au moins égal
au volume d'air admissible par le brûleur.
Avantageusement, l'enceinte de confinement est dépourvue de conduit de
fumées débouchant dans le premier tiers de l'enceinte de confinement.
De préférence, l'écran de protection est réalisé en un matériau réfractaire.
Généralement, l'écran de protection s'étend dans ladite chambre de
combustion, en regard de la tête du brûleur formée par la zone d'injection
d'un
mélange comburant/combustible du brûleur dans ladite chambre de
combustion et correspondant à la base de la flamme.
De préférence, l'écran de protection affecte la forme d'une plaque cintrée
entourant au moins partiellement la tête d'alimentation, cette tête
d'alimentation
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se présentant sous forme d'un conduit muni sur au moins une partie de sa
longueur d'une pluralité de trous orientés pour diriger le flux de fumée en
direction de l'écran.
5 En particulier, la plaque est cintrée autour d'un axe sensiblement
perpendiculaire à l'axe de la flamme du brûleur. De même, la tête
d'alimentation est formée au niveau de la chambre de combustion d'un premier
conduit qui débouche dans un deuxième conduit s'étendant
perpendiculairement au premier conduit, ce deuxième conduit étant un conduit
muni de trous et s'étendant autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à
l'axe de la flamme du brûleur.
De préférence, le volume de l'enceinte de confinement exprimé en m3 est
sensiblement égal au débit du brûleur exprimé en m3/h. Ainsi, pour un débit du
brûleur en mélange combustible/comburant réglé à 15 m3/h, le volume de
l'enceinte de confinement est égal à 15 m3.
De préférence, la somme des aires des trous de la tête d'alimentation est
égale
à la section transversale du conduit de ladite tête d'alimentation pour éviter
toute surpression.
De préférence, la tête d'alimentation, disposée dans la zone de rayonnement
thermique de l'écran, est écartée de l'écran d'une distance au plus égale à 20
cm.
L'écran est écarté de la zone d'injection du brûleur d'une distance au plus
égale à 20 cm.
Généralement, à l'état allumé du brûleur, l'écran de protection est écarté du
sommet de la flamme d'une distance au plus égale à 10 cm.
Pour faciliter la condensation par augmentation des pertes de charges, la
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chambre de combustion communique avec l'entrée de l'enceinte de
confinement via un circuit de circulation comportant au moins une chicane.
De préférence, le circuit de recirculation des fumées s'étend, sur au moins
une
partie de sa longueur, à l'intérieur du circuit de circulation des fumées
depuis la
chambre de combustion vers l'enceinte de confinement, pour réduire
l'encombrement de l'ensemble.
De préférence encore, la zone dans laquelle le circuit de recirculation
s'étend à
l'intérieur du circuit de circulation est disposée côté tête d'alimentation
dudit
circuit pour permettre un réchauffement des fumées recirculant au contact des
fumées évacuées de la chambre de combustion.
De préférence, l'entrée de l'enceinte de confinement est équipée d'un clapet
de
fermeture fermant ladite entrée à l'état éteint de la flamme du brûleur, ledit
clapet étant maintenu fermé sous l'effet de son propre poids. Ledit clapet est
apte à passer de la position fermée à la position ouverte sous l'effet de la
pression générée à l'intérieur du circuit de circulation des fumées par le
brûleur.
Généralement, l'enceinte de confinement est une enceinte semi-enterrée. A
nouveau, cette disposition facilite la production de condensats.
L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante
d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 représente une vue schématique d'une installation conforme à
l'invention ;
La figure 2 représente une vue en perspective simplifiée de la tête
d'alimentation et de l'écran positionnés en regard de la flamme du brûleur ;
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La figure 3 représente une vue schématique en coupe de la figure 2;
La figure 4 représente une vue schématique de dessus de la tête
d'alimentation et de l'écran.
Comme mentionné ci-dessus, l'installation, objet de l'invention, est plus
particulièrement destinée à permettre la production de fumées et le traitement
de ces fumées pour limiter le rejet de ces fumées dans l'environnement avec
un bon rendement de la combustion et une consommation en combustible
réduite.
Cette installation comprend donc un générateur 1 de fumées, tel qu'une
chaudière. Ce générateur 1 de fumées comporte un brûleur 2 apte à mélanger
un combustible, tel que du fuel, et un comburant, tel que de l'air, dans des
proportions choisies en fonction de la combustion à opérer.
Ce brûleur 2 est disposé au moins partiellement à l'intérieur d'une chambre 3
de combustion. En particulier, la zone d'injection du mélange
combustible/comburant, appelée tête du brûleur, est disposée dans une
chambre 3 de combustion faisant également partie du générateur 1 de fumées.
La partie de la chambre 3 de combustion dans laquelle s'étend la flamme du
brûleur s'appelle le foyer 31 de la chambre de combustion. Ce foyer peut être
formé par l'intermédiaire d'un pot, appelé pot de combustion ou tuyère, dont
le
fond est formé par la tête d'injection du brûleur. Une partie de la chambre de
combustion s'étend au-delà du foyer de combustion. En l'occurrence, la paroi
latérale périphérique de la chambre de combustion s'étend autour de la paroi
latérale périphérique du pot. Le corps tubulaire ainsi constitué loge à une
extrémité le pot et est fermé à son autre extrémité par une paroi à travers
laquelle fait saillie la tête d'alimentation qui sera décrite ci-après.
Cette chambre 3 de combustion comporte une sortie 32 d'évacuation des
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fumées qui se raccorde par un circuit de circulation de fumées à une enceinte
4 de confinement, en particulier, à l'entrée 41 de ladite enceinte 4 de
confinement. Cette sortie 32 d'évacuation de fumées est formée par l'espace
laissé libre à une extrémité du corps tubulaire de la chambre de combustion
entre la paroi latérale périphérique de la chambre et la paroi latérale
périphérique du pot de combustion.
Cette enceinte 4 de confinement comporte une première sortie 42 d'évacuation
des fumées raccordée par un circuit de recirculation à l'extrémité de la
chambre de combustion opposée à celle munie du brûleur. On note que
l'enceinte de confinement est généralement une enceinte semi-enterrée pour
créer un différentiel de température avec l'extérieur et faciliter le
refroidissement des fumées en vue de leur condensation.
Cette enceinte de confinement est équipée, au niveau de son entrée dans
l'enceinte, d'un clapet. Ce clapet 11 qui ferme l'entrée 41 de l'enceinte de
confinement à l'état éteint de la flamme du brûleur, est maintenu fermé sous
l'effet de son propre poids. Ce clapet s'ouvre donc une fois le brûleur
allumé.
Cette enceinte 4 de confinement comporte encore des moyens d'évacuation
d'une surpression à l'intérieur de l'enceinte. Ces moyens de surpression
peuvent être formés par une simple soupape.
Cette enceinte de confinement comporte également des moyens de mesure de
la pression à l'intérieur de l'enceinte pour éteindre le brûleur si
nécessaire.
Cette enceinte de confinement comporte encore une deuxième sortie 43
d'évacuation des condensats hors de ladite enceinte.
L'entrée 41 des fumées est disposée dans le premier quart supérieur de
l'enceinte de confinement comme l'illustre la figure 1, alors que la sortie 43
d'évacuation des condensats est disposée en partie basse de l'enceinte de
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confinement.
Cette sortie 43 d'évacuation des condensats est équipée d'un organe 8
d'obturation, tel qu'une électrovanne, apte à recevoir des signaux émis par un
capteur 9 de niveau de la cuve, en fonction du niveau de ladite cuve. Ce
capteur commande, via l'organe d'obturation, l'ouverture de la cuve lorsque le
niveau de la cuve est supérieur à une valeur prédéterminée.
La partie non condensée des fumées sort de l'enceinte de confinement en
partie haute de l'enceinte par la sortie 42 d'évacuation des fumées et
parvient
via un circuit, appelé circuit 5 de recirculation, dans la chambre 3 de
combustion en un emplacement de la chambre opposé à celui équipé du
brûleur.
Le débouché du circuit dans la chambre est appelé tête 6 d'alimentation en
fumées de la chambre 3 de combustion. Cette tête 6 est réalisée au moins
partiellement en fer pour les raisons explicitées ci-après.
La chambre 3 de combustion comporte encore un écran 7 en un matériau
réfractaire, tel qu'une céramique, qui sépare le foyer 31 de la chambre de
combustion correspondant à l'emplacement occupé par la flamme du brûleur,
de la tête 6 d'alimentation en fumées.
Dans l'exemple représenté, l'écran 7 de protection s'étend en regard de la
tête
22 du brûleur 2 formée par la zone d'injection d'un mélange
comburant/combustible du brûleur 2 dans ladite chambre 3 de combustion et
correspondant à la base de la flamme. En d'autres termes, lorsque la chambre
3 de combustion affecte la forme d'un corps tubulaire comme dans l'exemple
représenté avec la zone d'injection du brûleur disposée à l'extrémité dudit
corps et la tête d'alimentation disposée à l'autre extrémité du corps, l'écran
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s'étend à l'intérieur de la chambre entre lesdites extrémités. En particulier
l'écran 7 s'étend entre la tête d'alimentation en fumées et la tuyère qui
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prolonge le brûleur.
L'écran 7 de protection affecte la forme d'une plaque cintrée entourant au
moins partiellement la tête 6 d'alimentation, cette tête 6 d'alimentation se
5 présentant sous forme d'un conduit muni sur au moins une partie de sa
longueur d'une pluralité de trous 61 orientés pour diriger le flux de fumée en
direction de l'écran 7.
La plaque est cintrée autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe de
10 la flamme du brûleur. De même, au moins une partie du conduit de la tête
d'alimentation à fonction de diffuseur s'étend
sensiblement
perpendiculairement à l'axe longitudinal de la flamme.
La tête 6 d'alimentation, disposée dans la zone de rayonnement thermique de
l'écran 7, est écartée de l'écran d'une distance au plus égale à 20 cm.
L'écran 7 est écarté de la zone d'injection du brûleur 2 d'une distance au
plus
égale à 20 cm.
A l'état allumé du brûleur 2, l'écran 7 de protection est écarté du sommet de
la
flamme d'une distance au plus égale à 10 cm.
L'écran présente donc une surface, dite chaude, tournée vers la flamme du
brûleur qui s'élève en température lorsque le brûleur fonctionne, cette
surface
étant léchée ou soumise à l'action de la chaleur dégagée par la flamme du
brûleur.
Comme cet écran est réalisé en matériau réfractaire, il résiste à l'élévation
de
température et protège la tête d'alimentation qui elle est au moins
partiellement
en fer et donc plus fragile. Le fer est utilisé comme catalyseur.
En effet, lors de la combustion dans la chambre de combustion, ladite
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combustion produit du dioxyde de carbone et de l'eau. Une partie de l'eau se
condense dans l'enceinte de confinement. Le restant des fumées est rejeté
dans la chambre de combustion. Les hydrocarbures restant dans les fumées et
en particulier le monoxyde de carbone se recombinent avec l'hydrogène issu
de la condensation pour produire, sous l'action de la chaleur produite par
l'écran et en présence du fer de la tête d'alimentation, un hydrocarbure et de
l'eau.
En d'autres termes, les gaz imbrûlés des fumées et l'hydrogène contenu dans
les vapeurs d'eau du condenseur formé par l'enceinte de confinement, se
recombinent en hydrocarbure au niveau de la tête d'alimentation en fer. Ces
hydrocarbures sont ensuite rebrûlés et permettent, du fait de leur présence,
de
réduire la quantité de combustible à utiliser lors de la combustion.
C'est pour cette raison qu'une telle installation permet une consommation
réduite en combustibles et un rendement amélioré de la combustion.
