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 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 ⁰ C, soit très au-dessus de la température maximum admise de 250 voire

300 ⁰ 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. 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. 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. Le dispositif de brûleur comporte une enceinte 1 comportant à une première extrémité une conduite axiale IA d'entrée de combustible C et présentant à sa seconde extrémité opposée une sortie du mélange de ce combustible avec un gaz oxydant ID. L'enceinte comporte une partie convergente ID 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 IC, de manière à former un premier mouvement hélicoïdal axial MHl 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 ID, 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 MH l . La partie divergente IC et la partie convergente ID 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 IC 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. Les secondes entrées 4A, 4B de part leur inclinaison et leur répartition sur une partie convergente ID à la seconde extrémité de l'enceinte, autour de la sortie du mélange IB, induisent par l'effet centrifuge EC un second mouvement hélicoïdal MH2 qui, en fin de trajectoire axiale, par butée sur la partie divergente IC de la première extrémité de l'enceinte, se renverse et vient se joindre au premier mouvement hélicoïdal MHl, 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 90° 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 ID sur une zone angulaire avec un angle α 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 IC.

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 l' 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 l'B. 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 MHl 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 MHl.

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 l'C et se joindre au premier mouvement hélicoïdal axial

MHl.

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 ⁰ 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. 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, CO2, H2, H20, CH4, C _n H _m ) contenant des goudrons, et dit le combustible ci- dessus, afin de craquer à 1200 degrés et au-delà, le CH ₄ 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.