La présente invention concerne le domaine de l'oxy-combustion, et plus particulièrement un dispositif de combustion dont la géométrie permet une recirculation naturelle de fumées et est adaptée aux contraintes de l'oxy- combustion d'une charge liquide ou gazeuse.

L'activité économique actuelle ainsi que les besoins croissants en énergie génèrent, à travers l'utilisation de combustible fossile, des émissions croissantes de

CO ₂ , gaz à effet de serre, dans l'atmosphère. Ces émissions de CO ₂ sont fortement suspectées d'être la source des modifications climatiques constatées et notamment du réchauffement planétaire.

Une solution pour réduire ces émissions consiste à capturer et séquestrer le CO ₂ émis. Néanmoins les surcoûts associés en terme d'investissement et les pénalités sur le rendement global des équipements sont pour le moment prohibitifs. A l'heure actuelle, aucune solution économiquement satisfaisante n'est disponible. Des recherches sont donc actuellement poursuivies pour améliorer les technologies existantes, notamment les technologies de captage.

Actuellement les principales technologies de captage du CO ₂ à l'étude sont :

Le captage en post combustion, c'est-à-dire la capture directe du CO ₂ présent dans des fumées de combustion à l'air. Ce captage nécessite l'ajout d'une unité de séparation de CO ₂ dédiée.

Le captage par précombustion, c'est-à-dire la capture préalable du CO ₂ sur la charge après une première étape de conversion en gaz de synthèse. Cette conversion génère un gaz riche en H ₂ qui, une fois libérée de ses composés carbonés, ne libère pas de CO ₂ lors de sa combustion. Le captage par oxy-combustion : de l'oxygène est substitué à l'air pour les étapes de combustion. Ainsi, on dispose, en sortie de l'équipement de combustion, de fumées à haute teneur en CO ₂ qui peuvent alors être séquestrées directement sans avoir à être traitées dans une unité de séparation de CO ₂ . En revanche, une unité dédiée de production d'oxygène est requise.

C'est cette dernière technique d'oxy-combustion qui concerne la présente invention. En effet cette technique présente de nombreux avantages : une diminution de la quantité d'oxyde d'azote (NOx) formés (dans le cas d'O ₂ pur, et d'absence de composés azotés dans la charge), une diminution de la quantité de fumées générées à iso puissance, une diminution des pertes thermiques (correspondant au chauffage "inutile" de l'azote au travers du cycle de combustion), la concentration des éventuels polluants tels que l'oxyde d'azote et l'oxyde de souffre (NOx et SOx) étant plus élevée, la séparation est plus aisée, la plupart des composants sont condensables par compression et la chaleur de condensation peut être utilisée avantageusement dans le schéma de procédé global.

Il reste cependant de nombreux problèmes à résoudre pour l'oxy-combustion. En effet, la combustion sous oxygène (O ₂ ) occasionne des températures de flamme notablement plus élevées pouvant atteindre localement 2500 ⁰ C. De manière générale, sous O ₂ , on observe avec les combustibles courants un surcroît de température compris entre 30% à 45% de la température obtenue à l'air (en °C) dans une configuration adiabatique. Cette contrainte nécessite donc des technologies spécifiques, de telles températures n'étant pas "gérables" dans des chambres compactes avec les concepts usuels quels que soient les alliages et réfractaires utilisés. Une des solutions privilégiées pour diminuer ces points chauds ("hot spots") consiste à opérer une recirculation poussée des gaz brûlés, de façon à diluer et homogénéiser le profil de température autour de sa valeur moyenne. Cette dilution par des gaz inertes et ce brassage (l'homme du métier parle de taux d'entraînement pour quantifier l'intensité de brassage) évite ainsi Ia formation de points chauds responsables de l'endommagement localisé des parois et/ou des internes des chambres de combustion. Les besoins en recirculation sont essentiellement requis pour des questions de formation de NOx et de rendement thermique. On notera que les besoins en recirculation sont moins contraignants pour la combustion sous air qu'en oxy- combustion.

En plus de pouvoir agir sur l'homogénéité de la combustion et des températures, il est nécessaire d'agir sur la température moyenne par un refroidissement de la chambre afin de se placer dans la fenêtre de température permettant, par exemple, de minimiser la formation de polluants tout en assurant une bonne combustion de la charge.

Certains brevets proposent des dispositifs essayant de résoudre ces problèmes posés par l'oxy-combustion.

On peut citer notamment la demande de brevet US 20050239005. Ce brevet décrit un brûleur spécifique qui met en évidence l'utilisation d'une recirculation. Il s'agit d'un brûleur bas NOx pouvant être utilisé dans une chambre de combustion usuelle telle que des fours atmosphériques disposant d'un large espacement entre les brûleurs et les internes (tubes, parois, etc.). Ce dispositif nécessite donc des brûleurs spécifiques. Les injections de combustible et de comburant se font en parallèle, ce qui perturbe la recirculation et ne permet pas d'assurer une combustion répartie sur l'ensemble du volume de la chambre.

La demande de brevet WO 2004/065848 concerne un dispositif reposant sur une géométrie ovale qui, bien que favorisant la recirculation en boucle des fumées pour diluer les réactifs, ne permet pas une très bonne homogénéisation de la combustion. L'échange est effectué avec des tubes traversant la chambre ce qui peut perturber la recirculation.

Le brevet US 7318317 décrit un brûleur de turbine permettant la recirculation en boucle des gaz de combustion pour homogénéiser la combustion. Dans ce dispositif les gaz circulent uniquement sur une boucle, ce qui ne permet pas une recirculation homogène.

La présente invention a donc pour objet de palier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant un arrangement spécifique et original permettant de surmonter les contraintes spécifiques à l'oxy-combustion. La chambre de combustion a donc une géométrie permettant une recirculation naturelle des fumées adaptée aux contraintes de l'oxy-combustion. De plus, l'injection se fait en différents points pour assurer la recirculation et la dilution des réactifs, ce qui permet d'obtenir une combustion répartie sur l'ensemble du volume de la chambre sans utiliser de brûleurs dédiés.

Pour cela, la présente invention propose une chambre de combustion comprenant une enceinte ayant au moins un moyen d'injection de combustible, au moins un moyen d'injection de comburant et au moins un moyen de soutirage des fumées de combustion, dans laquelle l'enceinte à la forme d'un tube de section quelconque recourbé sur lui même et fermé et les moyens d'injections de combustible et de comburant sont disposés sur l'enceinte de façon à être décalés d'un angle θ, formé par chacune des positions d'injection du comburant et du combustible avec le centre de l'enceinte, compris entre 10° et 90° et dans laquelle le moyen d'injection du comburant est un moyen d'injection de comburant oxydant qui est un gaz avec une concentration en oxygène supérieure à 90%.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte à la forme d'un tube recourbé sur lui même de façon à former un cercle fermé.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention l'enceinte à la forme d'un tube recourbé sur lui-même de façon à former un ovale.

Selon un mode de réalisation de l'invention, la section du tube est circulaire, ovale ou polygonale.

Dans un mode de réalisation de l'invention, la section du tube est triangulaire.

Dans la chambre de combustion selon l'invention, le moyen de soutirage est disposé à l'intérieur du cercle formé par l'enceinte de façon à réaliser un soutirage rasant. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens d'injection du combustible sont formés par au moins une tubulure d'injection disposée dans le plan radial de l'enceinte sur l'extérieur de l'enceinte.

Dans un mode de réalisation de l'invention, la tubulure d'injection du combustible forme un angle d'inclinaison α formé par l'axe longitudinal de la tubulure et la droite passant par le point d'injection du combustible et tangente à la trajectoire de la circulation des gaz après le point d'injection, ledit angle α étant compris entre 5° et 80°.

Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens d'injection du combustible sont formés par au moins deux tubulures rasantes, disposées en opposition sur l'enceinte, une première tubulure permettant l'injection par le dessus de l'enceinte et une deuxième tubulure permettant l'injection par le dessous de l'enceinte.

Dans un mode de réalisation de l'invention les tubulures d'injection du combustible forme un angle d'inclinaison α', défini par rapport à l'axe longitudinal de la tubulure et le plan radial de l'enceinte, compris entre 5° et 80°.

Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens d'injection du comburant sont formés par au moins une tubulure d'injection disposée dans le plan radial de l'enceinte sur l'extérieur de l'enceinte. Dans un mode de réalisation de l'invention, la tubulure d'injection du comburant forme un angle d'inclinaison β formé par l'axe longitudinal de la tubulure et la droite passant par le point d'injection du combustible et tangente à la trajectoire de Ia circulation des gaz après le point d'injection, ledit angle β étant compris entre 5° et 80°. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens d'injection du comburant sont formés par au moins deux tubulures rasantes, disposées en opposition sur l'enceinte, une première tubulure permettant l'injection par le dessus de l'enceinte et une deuxième tubulure permettant l'injection par le dessous de l'enceinte.

Dans un mode de réalisation de l'invention, les tubulures d'injection du comburant forme un angle d'inclinaison β', défini par rapport à l'axe longitudinal de la tubulure et le plan radial de l'enceinte, compris entre 5° et 80 ^e .

Dans la chambre de combustion selon l'invention, le moyen de soutirage forme un angle Y défini par rapport à l'axe longitudinal du moyen de soutirage et le rayon du cercle formé par l'enceinte, et dirigé dans le sens de circulation des fumées. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'angle y est compris entre 20° et 85°.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le tube a une section dont la taille est comprise entre 100 mm et 2000 mm.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées et données à titre d'exemple :

- la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe transversale d'une variante du dispositif selon l'invention,

- la figure 2 est une représentation schématique d'une vue de profil d'une variante du dispositif selon l'invention, - la figure 3 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale de la variante de la figure 2 du dispositif selon l'invention, et la figure 4 est une représentation schématique d'une vue de profil d'une deuxième variante selon l'invention.

Comme illustré sur la figure 1 , la chambre de combustion selon l'invention comprend une enceinte (1) qui a la forme d'un tube recourbé sur lui même de façon à former un cercle fermé ou un ovale fermé. On entend par tube un élément de forme allongée, creux, de section quelconque. La section du tube peut être notamment circulaire (9), ovale (figures 2 et 3) ou polygonale et de préférence triangulaire (9 ^! )

(figure 4), mais également carrée ou rectangle. Lorsque la section du tube recourbé formant l'enceinte est circulaire (9), on parle alors de chambre torique.

L'enceinte peut également être définie comme un volume creux généré par le déplacement d'une surface génératrice quelconque dans la direction d'une courbe fermée représentant le lieu de ses barycentres.

La dimension d de Ia section du tube (par exemple diamètre ou côté) formant l'enceinte est comprise entre 100 mm et 2000 mm.

Les parois de la chambre de combustion sont formées en alliage spécifique tels que Haynes 230©, Kanthal APM© ou MA956© ou alliage HR120© ou tout autre matériau du même type. Extérieurement, ces parois peuvent être recouvertes de matériaux permettant de refroidir le réacteur par l'extérieur. De cette façon, on ajuste la température de sortie de la chambre et on protège les parois des points chauds générés dans la chambre. Dans le cas où la chambre ne serait pas refroidie à l'aide d'un dispositif dédié, une réfractorisation interne de la chambre est également envisageable. Les matériaux utilisés pour la réfractorisation sont par exemple des céramiques ou des ciments réfractaires ou tout autre matériau du même type. La chambre de combustion comporte des moyens d'injection du combustible (2) et des moyens d'injection du comburant.

Lorsque le combustible est liquide, le moyen d'injection du combustible est un gicleur, et avantageusement ce gicleur est muni d'un interne assurant le ^' mélange du combustible avec un fluide de pulvérisation.

Lorsque le combustible est gazeux, comme par exemple le gaz naturel, l'injecteur est un injecteur haute vitesse permettant d'atteindre des vitesses préférentiellement supérieures à lOOm/s, par exemple un injecteur commercial type RegeMAT© utilisé par WS.

La présente invention n'est bien entendu pas limitée à ces deux types de combustibles et englobe également l'utilisation de combustibles solides. Dans ce cas l'injecteur peut consister en une canne dans laquelle ledit combustible est transporté par un fluide, tel que par exemple la vapeur.

La chambre de combustion comporte des moyens d'injection de comburant (3) oxydant qui est, dans le cadre de l'invention, soit un gaz avec une très forte concentration en oxygène, habituellement supérieure à 90%, soit de l'oxygène pur.

Ces moyens d'injection de comburant peuvent être un injecteur, de préférence tubulaire et en matériau réfractaire.

L'injection de comburant peut être assistée par tous moyens, comme par des fumées recyclées, ce qui a pour avantage d'accélérer la vitesse d'injection du comburant, en limitant les hétérogénéités de concentration dues à l'injection d'oxygène. Il peut également être envisagé d'assister l'injection de comburant par de la vapeur d'eau qui permet de réduire la formation d'imbrûlés solides, comme les suies par exemple.

Typiquement, l'injection du comburant se fait avec une forte impulsion qui permet d'entretenir une circulation rapide des fumées.

Dans tous les cas les moyens d'injection sont assimilés à des tubulures, c'est-à- dire des conduits de forme circulaire, ovale, ou polygonale, dans la suite de la description.

Une des caractéristiques du dispositif selon l'invention est que l'injection et les soutirages se font de façon à limiter l'apparition de points chauds. A cette fin, combustible et comburant sont injectés de manière disjointe (sans prémélange donc) sur l'axe extérieur de l'enceinte et l'angle d'incidence des tubulures permettant l'injection est optimisé de façon à éviter tout impact de gaz chaud contre les parois.

Pour positionner les moyens d'injection, on considère également les contraintes d'implantation des tubulures. Pour l'injection du combustible selon une première variante illustrée sur la figure 1 , une tubulure d'injection est disposée sur l'extérieur du cercle formé par l'enceinte, c'est- à-dire dans le plan radial (P) de l'enceinte. L'angle α caractérise l'inclinaison de la tubulure et se définit préférentiellement comme l'angle formé par l'axe longitudinal (20) de la tubulure et la droite (21) passant par le point d'injection et tangente à l'axe circulaire médian (A) de la trajectoire de la circulation (4) des gaz après le point d'injection.

Cependant, la construction d'une chambre de combustion selon l'invention nécessite la soudure de plusieurs éléments et, dans certain cas, il n'est donc pas possible que les injections puissent être pratiquées exactement sur l'extérieur. Selon une deuxième variante de l'invention, les moyens d'injection sont donc formés par un système de paires de tubulures (2', 2") rasantes et en opposition par rapport au plan radial (P), comme illustré sur les figures 2, 3 et 4. Ces tubulures sont disposées de façon à permettre une injection par le dessus et le dessous de l'enceinte, en considérant la section du tube. L'angle α ¹ de ces tubulures est défini par rapport à l'axe longitudinal des tubulures (20', 20") et le plan radial (P) de l'enceinte (1 ).

Ces angles α et α' sont contraints par les limites de construction et par l'angle du spray (8). L'angle α correspond à l'inclinaison requise pour compenser l'entraînement et garder une injection centrée dans l'enceinte, il est compris entre 5° et 80°, et de préférence entre 15° et 50°. L'angle α ¹ est compris entre 5° et 80°. Les gicleurs ayant une très faible flexibilité sur les débits et le démarrage sous air demandant une grande amplitude d'injection, on spécifie au moins un point injection mais on peut en revendiquer plusieurs en série. On ajuste ainsi le nombre de tubulures utilisées pour gagner en flexibilité sur les débits sans modifier drastiquement les débits par gicleur. Le nombre de tubulure est compris entre 1 et 15, et de préférence entre 2 et 10. Ce dispositif améliore par ailleurs la distribution du combustible, ce qui permet d'améliorer la qualité de combustion et éviter la formation des points chauds.

Pour l'injection du comburant et notamment l'oxygène (ou l'air pour le démarrage) la tubulure (3) utilisée est disposée sur l'extérieur du cercle formé par l'enceinte (1), c'est-à-dire dans le plan radial de l'enceinte et inclinée suivant un angle β pour assurer une circulation résultante après mélange qui soit dans l'axe de l'enceinte. Cet angle caractérise l'inclinaison de la tubulure et se définit comme l'angle formé par l'axe longitudinal (30) de la tubulure et la droite (31) passant par le point d'injection et tangente à l'axe circulaire médian (A) de la trajectoire de la circulation (4) des gaz après le point d'injection. Il est compris entre 5 ^e et 80°, et de préférence entre 15° et 45°. En cas de problème d'implantation de la même façon que pour l'injection de combustible, une injection à l'aide de 2 tubulures en opposition peut être utilisée. Ces tubulures sont disposées de façon à permettre une injection par le dessus et le dessous de l'enceinte. Dans ce cas, les tubulures forment chacune un angle β' (non illustré) défini par rapport à l'axe longitudinal de la tubulure et la plan radial de l'enceinte (1). Cet angle doit être minimal pour maximiser l'entraînement induit, il est compris entre 5° et 80°

L'angle θ formé par chacune des positions d'injection du comburant et du combustible avec le centre de l'enceinte, c'est-à-dire l'angle formé par les droites (22, 32) passant par les points d'injection du comburant et du combustible et le centre (C) de l'enceinte, doit être compris entre 10 et 150° et préférentiellement entre 15° et 90°.

Dans un mode préféré de l'invention, la richesse définie comme le quotient du rapport des débits de Combustible / Comburant en opération et du rapport Combustible / Comburant à la stoechiométrie est comprise entre 0.5 et 3.

La chambre de combustion comporte également un moyen (5) de soutirage des fumées de combustion. Ce moyen de soutirage est disposé à un endroit qui ne perturbe pas la circulation des gaz de recirculation (4). Le moyen (5) de soutirage est donc disposé à l'intérieur du cercle formé par l'enceinte (1), de façon à réaliser un soutirage rasant. Pour cela l'axe longitudinal (51) de la tubulure de soutirage forme un angle Y avec le rayon (r) du cercle formé au point de sortie du moyen de soutirage. Cette tubulure de soutirage est dirigée dans le sens de circulation des fumées et l'angle Y est avantageusement compris entre 20° et 85°. De cette façon, le soutirage se fait dans le prolongement de la circulation (4) des fumées. La tubulure de soutirage a un diamètre S compris entre 10 mm et 250 mm. Lors du fonctionnement de la chambre de combustion, un gros débit de fumées de combustion chaudes circule et recircule en permanence dans la boucle du tore. On parle dans ce cas de recycle interne par opposition aux techniques de recycle externe (également envisageables pour l'oxy-combustion). Ce gros débit de fumées est entretenu grâce à des vitesses d'injection élevées dans la chambre. En conséquence, les jets de comburant et de combustible subissent en rentrant dans la chambre un fort brassage et une forte dilution de la part des fumées. Ce brassage assure une mise en contact des réactifs dans des conditions aussi diluées et aussi homogènes que possible, ainsi qu'un étalement de la zone réactionnelle sur l'ensemble de la chambre. Ces fumées sont suffisamment chaudes pour assurer l'auto inflammation des réactifs. Le combustible est tout d'abord injecté et brassé au sein des fumées chaudes. Ces fumées contiennent un peu d'oxygène résiduel. De ce fait, le parcours du mélange, depuis le point d'injection du combustible jusqu'à l'injection de comburant (Air ou O ₂ ), permet au gaz de se mélanger, de se diluer et de réagir partiellement.

On injecte alors le comburant avec une forte impulsion. Cette impulsion permet d'entretenir la circulation rapide des fumées ainsi qu'un brassage supplémentaire. La combustion se poursuit durant tout le parcours de la boucle.

Une partie de ces fumées est extraite dans une zone qui ne perturbe pas l'écoulement des fumées.

La température et la composition des fumées sont sensiblement homogènes dans la totalité de l'enceinte. Cette température est comprise, en marche nominale, entre 600 et 2000° C et de préférence entre 800 et 1500 ⁰ C de façon à limiter la formation de NOx liée à d'éventuelles entrées d'air parasites ou à l'azote du comburant. La vitesse élevée d'injection d'Air/0 ₂ comprise entre 20 m/s et 500 m/s, et de préférence entre 100 m/s et 250 m/s entretient un fort entraînement des gaz présents dans la chambre de combustion. Cette forte recirculation favorise le brassage et la dilution des espèces présentes de façon à mettre en place une combustion répartie de manière la plus homogène possible dans le volume de la chambre.

Les conséquences de ce type de fonctionnement sont les suivantes :

• La combustion se déroule en deux étapes.

• Un fort brassage est obtenu au niveau des injections.

• L'importante vitesse de circulation des fumées chaudes étale Ia combustion sur l'ensemble du volume du tore et entretient la combustion.

On dispose ainsi d'un dispositif qui évite la formation de points chauds et assure une combustion en volume sur l'ensemble de la chambre de combustion.

De plus, la combustion étant répartie sur l'ensemble de l'enceinte et non pas concentrée sous forme d'une flamme au niveau des points d'injection, la température ne dépasse jamais 2000 ⁰ C et les zones chaudes sont localisées au centre du tore. Les effets conjoints du refroidissement des parois par l'extérieur, l'absence d'impacts directs de gaz chaud et l'homogénéité de la combustion permettent d'obtenir des températures de parois inférieures à 1000 ⁰ C.

Cet arrangement (géométrie de l'enceinte, injections disjointes, soutirage central) favorise la recirculation des fumées de combustion et une combustion homogène sur l'ensemble du volume de la chambre.

Le concept imaginé est par ailleurs particulièrement adapté et intéressant aux petites puissances. En effet sur cette gamme de puissance, la géométrie de la chambre selon l'invention permet d'assurer une bonne recirculation sur un faible volume alors que l'utilisation d'oxygène pur occasionne, sur les géométries usuelles aux faibles puissances, un entraînement généralement trop faible. Cette recirculation des gaz est attribuable à la force de centrifugation qui minimise le rapport débit des gaz sortie par rapport au débit de gaz recirculé.

Par ailleurs, le préchauffage dû à la recirculation des fumées chaudes permet d'étendre la flexibilité des opérations et couvrir par exemple une large gamme de richesse.

De plus, dans les petites géométries, le rapport surface sur volume élevé facilite le refroidissement éventuel de la chambre et donc le contrôle de la qualité de combustion via le contrôle de la température moyenne de la chambre.

La possibilité d'abaisser la température du foyer jusqu'à des températures relativement faibles (contrairement aux chambres de combustion sous air) sans stopper la combustion permet d'envisager conjointement, avec des richesses adaptées, d'autres applications comme l'oxydation partielle, la production d'hydrogène ou de composés oxygénés, comme le méthanol.

II doit être évident pour l'homme du métier que la présente invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications jointes.