Domaine technique

[0001] La présente invention concerne un brûleur pour combustibles gazeux ou gazéifiables. Selon un aspect important, le brûleur de l'invention permet la combustion à température modérée, sans flamme visible, et est caractérisé par un taux d'émissions particulièrement faible, notamment en ce qui concerne le CO, les particules solides, et les oxydes d'azote (NO _x ). La présente invention se prête à l'utilisation avec un grand nombre de combustibles.

Etat de la technique

[0002] On connaît dans la technique plusieurs variantes de brûleurs permettant d'utiliser toute sorte de combustibles. Les brûleurs à flamme provoquent une haute température localisée, ce qui entraîne la formation de substances polluantes indésirables, tels que les NO _x .

[0003] On connaît aussi des brûleurs sans flamme qui allient une bonne efficacité énergétique et des faibles émissions. Dans ces brûleurs, connus aussi sous le nom de brûleurs FLOX ®, une partie des gaz brûlés est recyclée dans la zone de combustion. De cette manière on rend le mélange plus pauvre et on obtient une combustion diffuse dont la température est plus uniforme que dans les dispositifs conventionnels. Ces avantages, toutefois, demandent un réglage approprié des paramètres de combustion. Dans ces brûleurs le carburant et le gaz comburant sont injectés en même temps et au même endroit dans la chambre de combustion en sorte qu'on obtient, idéalement, une concentration optimale et homogène de ces composantes. Si les conditions optimales ne sont pas atteintes, des déséquilibres peuvent se produire qui entraînent une combustion imparfaite. [0004] Afin d'atteindre les conditions de combustions optimales, Les brûleurs connus plus performants sont des constructions complexes, nécessitant une fabrication précise avec un grand nombre de pièces assemblées avec des tolérances serrées. Ceci a évidemment un effet néfaste sur le coût du produit et parfois, aussi sur sa fiabilité.

[0005] Le brûleur de l'invention peut être adapté pour utiliser un grand nombre de substances combustibles, par exemple du gaz combustibles, des liquides inflammables, des solides, ou encore les gaz et produits volatiles résultant d'une réaction de pyrolyse. Dans cette dernière application, le brûleur de l'invention est particulièrement performant et peut être avantageusement couplé à un fourneau à pyrolyse pour produire charbon et énergie à partir de bois ou produits végétaux. Lorsque le charbon de bois est utilisé pour l'amélioration du sol ou séquestré de n'importe quelle façon, ces installations peuvent produire de l'énergie renouvelable avec un bilan C0 ₂ positif.

[0006] Le document EP2184538 décrit un brûleur FLOX avec recyclage des gaz brûlés. [0007] Le document EP2669575 divulgue un brûleur dans lequel le flux d'oxydant est varié périodiquement. Ce document ne décrit pas, toutefois, des injecteurs étagés par rapport au mouvement du combustible. De même EP1486729, décrit un brûleur avec des injecteurs d'air et d'eau disposés latéralement, mais sans recyclage des gaz brûlés. D'ailleurs ce brûleur est optimisé pour la dégradation thermique des PCB, et opère à des

températures très élevés. DE19619919, DE19613777, DE10200403421 1 , EP0413104 et US6155818 décrivent d'autres solutions intéressantes comme background technologique.

Bref résumé de l'invention

[0008] Un but de la présente invention est de proposer un brûleur exempt des limitations des dispositifs connus.

[0009] Un autre but de l'invention est de proposer un brûleur qui permet une combustion propre, énergétiquement efficace, accompagné d'un faible niveau d'émissions de NO _x et de CO. [0010] Selon l'invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d'un brûleur avec recirculation de gaz inerte ou de gaz de combustion dans la zone de combustion, et injection étagée, défini par les revendications annexées.

Brève description des figures [0011] Des exemples de mise en œuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles :

[0012] La figure 1 illustre schématiquement un brûleur selon un aspect de l'invention associé à une source de combustible. La figure 1 a en illustre le détail 'A' agrandi. [0013] Les figures 2, 3, 4, et 5 illustrent des variantes du brûleur de l'invention.

Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention

[0014] Dans le mode de réalisation de l'invention illustré par les figures 1 et a1 , la chambre de combustion 70 est un corps cylindrique vertical 70 qui peut être réalisé en acier, ou en tout autre matériau approprié. Bien évidemment, l'invention pourrait être mise en œuvre par des chambres de combustion de forme et/ou orientation différentes : ces caractéristiques ne sont pas essentielles pour l'invention.

[0015] Dans l'exemple illustré, un gaz combustible 40 est produit par un fourneau à pyrolyse 45 dans lequel on transforme du bois, ou un matériau similaire, en charbon, avec la production de gaz et vapeurs combustibles. Les combustibles, produits et préchauffés par la pyrolyse, entrent par une ouverture inférieure et remontent vers le haut par convection naturelle, traversent la zone de combustion 77 dans laquelle ils sont transformés en produit brûlés 60, et sortent par l'ouverture supérieure. [0016] Le présent dispositif a été spécialement conçu pour brûler des produits de pyrolyse, et a fourni des résultats très satisfaisant en cette application, étant capable d'un rendement énergétique élevé avec un faible taux d'émissions. Cependant, l'invention peut être adaptée pour brûler n'importe quel combustible, qu'il soit gazeux, volatile, un liquide atomisé, ou une substance solide pulvérisée. Le mouvement du combustible peut être par convention naturel, comme c'est le cas dans cet exemple, ou poussé par une soufflante, par exemple.

[0017] Le conduit 80 sert à l'introduction d'air comburant dans le volume de combustion 77, indispensable à la combustion. Dans l'exemple illustré, il descend dans la zone de combustion en restant en position périphérique. Ceci n'est pas une caractéristique indispensable de

l'invention. Le conduit 80 pourrait en effet être en position centrale, ou encore externe à la chambre de combustion 77. L'air 10 est puisé par un ventilateur 13 ou par tout autre moyen approprié créant une différence de pression. L'invention inclut aussi des variantes dans lesquelles l'air comburant est appelée dans la chambre de combustion par une dépression crée en aval, par exemple par une cheminée à convection naturelle ou forcée. [0018] Le principal du gaz comburant 10 n'est pas déchargé directement dans la zone de combustion. Le conduit 80 est entouré, au moins

partiellement, par une conduite 90 de gaz inerte 20, en ce cas un gaz brûlé prélevé en aval de la zone de combustion 77, donc un gaz avec une capacité oxydante nulle, ou au moins fortement réduite, par rapport à celle du gaz comburant 10. Le comburant 10 est mélangé au gaz inerte 20 par les injecteurs 35, et le mélange 30 est injecté par les becs 95 dans la zone de combustion 77. La vitesse d'éjection de l'air 10 par les injecteurs 35 engendre, par effet Venturi, une dépression qui appelle le gaz inerte 20 à descendre dans la conduite 90. [0019] De façon importante, l'injection du mélange 30 air/gaz brûlés est à plusieurs étages, disposés un après l'autre dans la zone de combustion, relativement au mouvement (vertical en cet exemple) du combustible, en sorte qu'un profil vertical de combustion s'établit. De plus, la vitesse de l'air puisé provoque un puissant brassage transversal. Des essais techniques ont démontré que ce dispositif permet d'obtenir une combustion optimale et peu polluante des gaz 40. De surcroît, son réglage est excessivement simple car il se réduit au choix de la vitesse du ventilateur 13. Ce paramètre est d'ailleurs peu critique, et les essais suscités ont prouvé que des amples variations de vitesse de ventilation ont un effet très limité sur le

fonctionnement du brûleur de l'invention, qui est par conséquent tout particulièrement adapté à des installations simples et ne nécessitant pas d'une surveillance pointue.

[0020] La construction du brûleur est aussi particulièrement simple et ne requiert pas d'usinages et ajustages de précision. Il est bon de mentionner que la géométrie des injecteurs 35 pourrait être beaucoup plus raffinée de ce qui est représenté, comme le témoignent grand nombre d'injecteurs à effet Venturi connus dans la technique. La structure illustrée, cependant, a fourni des résultats tout à fait satisfaisants et a l'avantage d'une

construction simple et peu onéreuse.

[0021] Optionnellement on peut prévoir, en amont des injecteurs 95 et plus haut de la zone de combustion, une injection directe d'air 15 dans la chambre de combustion. Cette injection permet de brûler des éventuels produits combustibles qu'on n'aurait pas entièrement consommés dans la zone de combustion 77.

[0022] La Figure 2 représente une variante du brûleur de l'invention dans laquelle le conduit de gaz inerte est disposé à l'intérieur du conduit du gaz comburant. En cette variante le gaz inerte est pressurisé, par exemple par une pompe ou un ventilateur, non représenté, et se mélange avec le gaz comburant (p. ex. air) dans les injecteurs 35 qui sont placés sur la paroi latérale de la conduite 90, en face des becs 95 de la conduite d'air 80. Cette variante présente les mêmes avantages que celle de la Figure 1 en ce qui concerne la qualité de la combustion, avec cette différence : que le gaz inerte est prélevé de l'extérieur, et qu'il est le fluide moteur des injecteurs 35, en sorte que l'air 10 (comburant) est aspiré par effet Venturi. [0023] Plusieurs sortes de gaz inertes peuvent être employées dans cette variante, par exemple de l'azote, de l'anhydride carbonique, ou de la vapeur d'eau sous pression. La figure 2 illustre notamment une variante particulièrement avantageuse dans laquelle le gaz inerte 20 est de la vapeur d'eau pressurisée produite par un générateur de vapeur 22 (illustré ici de manière très schématique), préférablement chauffé par le brûleur lui- même.

[0024] La figure 3 se réfère à une autre variante de l'invention dans laquelle le fluide moteur est un gaz inerte 20 sous pression qui aspire de l'air (gaz comburant) 10 par effet Venturi. La différence avec les exemples présentés plus haut est que le mélange ente air et gaz inerte n'est pas au niveau des étages 95, mais dans une unité Venturi 35 placée plus haut. Bien que la figure montre une seul unité 35, il est bien clair qu'on peut avoir, sans sortir du cadre de l'invention, une pluralité d'unités 35 en amont des étages d'injection 95.

[0025] Analogiquement, la figure 4 montre une variante dans laquelle le fluide comburant 10 est de l'air puisée qui sert également de fluide moteur dans une unité Venturi 35 placée en amont des étages d'injection 95, dans lequel l'air est mélangé avec un gaz inerte 20 produit de la combustion. Aussi en ce cas, un seul injecteur est représenté pour simplifier le dessin, mais l'invention peut en comporter plusieurs.

[0026] Le mode de réalisation de la figure 5 comporte deux groupes d'injection 101 et 102, positionnés à hauteurs différentes dans la chambre de combustion. Lans l'exemple illustré, les groupes d'injection 101 et 102 sont positionnés en périphérie et en vis-à-vis, mais cela n'est pas une caractéristique essentielle. Les groupes d'injection 101 et 102 sont alimentés en gaz comburant par deux soufflantes 13, 130, comme illustré, ou par une seule soufflante commune, ou encore par aspiration naturelle, comme mentionné plus haut.

[0027] Dans le premier groupe d'injection 101 , la conduite de gaz inerte 90 monte jusqu'aux régions supérieures de la zone de combustion, par exemple au-dessus des becs d'injection 195 du second groupe d'injection, ou sensiblement à la même hauteur desdits becs, de façon à aspirer du gaz inerte à température maximale.

[0028] Le second groupe d'injection a la fonction, entre autres, de mitiger la température de combustion dans les régions supérieures du brûleur. A cette fin, la conduite externe 120 n'est pas en liaison avec les gaz brûlés chauds, mais avec une source de gaz froid et inerte, par exemple de la vapeur d'eau, ou encore le gaz de combustion, mais refroidi. Dans l'exemple illustré, la conduite externe est en communication avec les gaz de combustion en aval d'un échangeur de chaleur 160. Il est possible aussi de combiner les deux sortes de gaz, soit recycler des gaz de combustion, refroidis ou pas, dans la conduite externe, et y injecter de l'eau vaporisée ou nébulisée.

[0029] Le brûleur de la figure 5 permet d'obtenir un profil vertical de température optimal et favorable à une combustion complète et propre. Le premier groupe d'injection 101 recycle dans la zone de combustion des gaz très chauds, prélevé près du point le plus chaud de la chambre, ce qui permet une combustion complète, et permet aussi de consommer des combustibles peu volatiles, par exemple du mazout. [0030] L'expérience a montré, cependant, qu'un brûleur avec un seul group injecteur peut atteindre, au sommet, des températures trop élevées, néfastes pour les matériaux, et donnant lieu à la production de NOx. Cet inconvénient est pallié par le second groupe injecteur 102, qui recycle dans la zone de combustion des gaz à température plus basse que ceux recyclés par le premier groupe. Par exemple, le premier groupe injecteur pourrait recycler des gaz brûlés ayant une température de 800 °C, et le second groupe 102 des gaz toujours brûlés, refroidis à 200-300 °C.

[0031] L'invention présentée ne se réduit aux seuls exemples décrit à l'aide des figures. En particulier elle comprend aussi des variantes dans lequel un mélange comprenant un gaz combustible et un gaz inerte ou comburant est injecté de façon étagé dans la manière revendiquée. Dans d'autres formes de réalisation, les conduites 80 et 90, qui sont ici représentés comme coaxiales, pourraient être simplement parallèles, avec des passages en correspondance des étages d'injection, sans qu'une entoure complètement l'autre. Ces conduites ne sont pas d'ailleurs nécessairement rectilignes, comme représenté. D'autres variantes sont possibles, et l'invention comprend toutes celles ayant les caractéristiques définies par les revendications annexées.

Numéros de référence employés sur les figures

[0032]

10 afflux de gaz comburant

13 ventilateur

15 injection directe de gaz comburant

20 afflux de gaz inerte ou de gaz brûlés

22 générateur de vapeur

30 mélange de gaz

35 injecteur / mélangeur

40 afflux de combustible

45 source de combustible, p. ex. four à pyrolyse

60 évacuation des produits de combustion

70 paroi, chambre de combustion

77 zone de combustion

80 conduite du gaz comburant

85 conduite du mélange appauvri

90 conduite du gaz inerte

95 becs d'injection

101 premier groupe d'injection second groupe d'injection

gaz froid

source de gaz inerte

mélange de gaz mitigé

échangeur de chaleur

becs d'injection du second groupe brûleur