WO2024141436A1 - Systeme de combustion apte a fonctionner avec un recyclage des fumees de combustion - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the field of combustion with recycling of at least part of the combustion fumes.
- So-called “classic” combustion consists of mixing air (oxidant) with a fuel in a combustion installation (oven, boiler, etc.) under high temperature conditions to create oxidation. The reaction is exothermic and maintains itself naturally.
- the air contains 21% oxygen (O2) and the volume of air used is controlled so that the quantity of oxygen is sufficient for combustion.
- combustion fumes include water vapor (H2O) and combustion products in the gas phase, including mainly dinitrogen (N2) in the gas phase, and carbon dioxide (CO2) in the gas phase.
- H2O water vapor
- N2 dinitrogen
- CO2 carbon dioxide
- combustion gas refers to combustion products in the gas phase which are released after combustion.
- the combustion gas may also contain other polluting combustion products in the gas phase, in more or less significant quantities, such as for example SOx (sulfur oxides). , NOx (nitrogen oxides), HCl (hydrogen chloride), HF (hydrogen fluoride), etc... Consequently, if we wish to capture the CO2 from these fumes, we must also separate the CCh from these other pollutants .
- dioxygen to implement oxycombustion can for example be obtained in a known manner by cryogenics or by electrolysis of water.
- combustion fumes are produced consisting of 1/3 CO2 in the gas phase and 2/3 water vapor by volume.
- pollutants from combustion such as HCl, SOx, etc. If the fuel is not nitrogenous, advantageously the fumes will naturally not contain NOx.
- a significant difficulty with oxycombustion lies in the difficulty in controlling combustion, because unlike conventional combustion, the oxycombustion temperature can quickly and uncontrolled become very high in the combustion chamber, so that conventional combustion installations cannot resist.
- the treatment device is suitable for dehumidifying combustion fumes.
- the sensor 51 can for example be mounted in a pipe between the connection 40a of the recycling loop 40 with the main evacuation circuit 5 and the evacuation chimney 50, as illustrated in FIG. 1, or can be mounted directly into the exhaust chimney 50.
- control unit 7 is adapted to control at least the recycling fan VR as a function of at least the flow rate or the pressure measured by said sensor 51 (detection signal S51 delivered by the sensor), as will be detailed later.
- the VR recirculation fan can be replaced with an air compressor.
- the source 30 of gaseous oxygen supplies for example the mixer 31 with a constant pressure and the device 32 for controlling the flow at the inlet of the mixer 31 comprises a valve V1, preferably one solenoid valve, which is controlled by the control unit 7.
- the flow control device 32 at the inlet of the mixer 31 may also include a system for controlling the gas pressure at the outlet of the source 30 possibly associated with a valve which may be an on-off valve. or a valve with progressive opening and closing, the pressure control system and said valve being controlled by the control unit 7.
- the fan 10 (or compressor) of the combustion installation operates by imposing on the inlet of the installation 1 a given flow rate (GC) of oxidizing gas GC which can vary.
- GC flow rate
- part FC1 of the treated combustion fumes FC' (after passing through the treatment device 8) is evacuated into the ambient air via the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5 and another part FC2 of the treated combustion fumes FC' (after passing through the treatment device 8) is recycled in the recycling loop 40 up to the inlet of the mixer 31.
- the mixer 31 is supplied with gas rich in dioxygen coming from the source 30 (valve V1 open) with a flow rate (002) and is supplied with the treated combustion fumes FC2 with a flow rate.
- the mixer 31 is also supplied with air which is sucked into the ambient air, via the bypass 6, with an incoming air flow 0AIR and which is routed to the mixer 31, via the portion of the loop of recycling 40 downstream of the connection 40a of the bypass 6 with the recycling loop 40, at the same time as the combustion fumes FC2.
- This operating phase continues as long as the flow rate of the VR recycling fan or compressor is below a critical threshold.
- the mixer 31 is supplied with dioxygen coming from the dioxygen-rich gas from the source 30 (valve V1 open) with a given flow rate (002) and is supplied with a flow rate 01 with the FC21 part of the combustion fumes treated and recycled FC2; the other part FC22 of the treated and recycled combustion fumes FC2 is evacuated into diversion 6 with a flow rate 02.
- the oxidant gas GC thus contains dioxygen coming from the dioxygen-rich gas from source 30 and the FC21 part of the combustion fumes FC2.
- transition from one operating phase to another can easily and safely be controlled by the control unit 7 by automatically adjusting the flow rate of the recycling fan or compressor VR and advantageously without having to turn on the combustion device 1 when stopped and without having to stop combustion in combustion device 1.
- the control unit control 7 automatically regulates the flow rate ⁇ 2 of gas rich in dioxygen (for example by closing the valve V1 more or less) so that the concentration of dioxygen measured by the sensor 33 in the oxidant gas GC is equal to or greater than a setpoint of given operation or is within a given operating range.
- This allows the system to automatically adapt to variations in flow rate 0GC of oxidizing gas GC (imposed by the combustion device), maintaining an appropriate concentration of dioxygen O2 in the oxidizing gas GC.
- the combustion system in Figure 1 can in particular, but not exclusively, operate with a fuel C producing, in the “improved oxycombustion” operating phase, combustion fumes FC which mainly contain carbon dioxide (CO2) and steam. water (H2O), and to a lesser extent oxygen (O2) and carbon monoxide (CO).
- a fuel C producing, in the “improved oxycombustion” operating phase, combustion fumes FC which mainly contain carbon dioxide (CO2) and steam. water (H2O), and to a lesser extent oxygen (O2) and carbon monoxide (CO).
- the combustion system can advantageously operate without time limit in the M2 operating mode (“oxycombustion with recycling”) and in said “degraded oxycombustion” phase with partial entry of air at least via bypass 6 (and possibly via another secondary air inlet or a secondary oxidizing gas inlet connected directly to the combustion device 1), and a partial discharge into the atmosphere of part FCi of the FC combustion fumes (in the absence of a treatment device 8) or FC' (with treatment device), via the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5.
- control unit 7 automatically regulates the flow rate 002 of oxygen (for example in this particular case by closing more or less the progressive valve V1) using the measurement signal S of the dioxygen concentration in the oxidizing gas G.
- Such a startup phase is advantageously simple and secure.
- a combustion system of the prior art which is adapted to operate only in improved oxycombustion mode with recycling of combustion fumes
- the risks of untimely and uncontrolled rise in temperature are avoided during the start-up phase.
- the transition from operating mode M2 to operating mode M1 can be requested from the control unit 7, at the initiative of the user of the combustion system, for example by means of a manual control for changing the mode of operation. functioning.
- the control unit 7 executes this stopping procedure by controlling the slowing down until the recycling fan or compressor VR stops, as previously described, then by controlling the closing of the valve V1 of the device 32 for controlling the flow of gas rich in dioxygen in order to switch from operating mode M2 to operating mode M1.
- combustion device 1 can be shut down in the usual and known manner without incurring any risk.
- Such a shutdown phase is advantageously simple and secure.
- the risks of untimely and uncontrolled rise in temperature are avoided, which are inherent in this type of installation of the prior art.
- This insufficiency can have several possibly cumulative causes.
- the oxidizing gas GC is constituted by the air sucked in by bypass 6 (the valve V1 being closed and the fan or recycling compressor VR being stopped) and the combustion fumes FC are treated in their entirety by passing through the treatment device 8 and are evacuated (FC') into the ambient air.
- the condenser 34 could be mounted in bypass like the treatment device 8 of Figure 12.
- Combustion system of Figure 10 is another variant, the condenser 34 could be mounted in bypass like the treatment device 8 of Figure 12.
- the combustion system of Figure 10 differs from that of Figure 1 mainly in that the control unit 7 is adapted to control the recycling fan or compressor VR) as a function at least of the flow rate or the pressure measured at less by said sensor 60 (and no longer by the sensor 51 as in the variant of Figure 1) during at least the operating mode M2 with recycling of at least part of the combustion fumes.
- the control unit 7 is adapted to control the recycling fan or compressor VR) as a function at least of the flow rate or the pressure measured at less by said sensor 60 (and no longer by the sensor 51 as in the variant of Figure 1) during at least the operating mode M2 with recycling of at least part of the combustion fumes.
- control unit 7 automatically controls the recycling fan or compressor VR, until the flow rate or pressure measured by this sensor 60 reaches at least a predefined and preferably configurable operating setpoint, and automatically regulates the flow rate of the fan or recycling compressor VR so as to maintain said pressure or said flow rate measured at this operating setpoint or in the vicinity of this operating setpoint.
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Abstract
Le système de combustion comporte un dispositif de combustion (1) permettant la combustion d'un combustible au moyen d'au moins un gaz comburant (GC) et comportant une sortie (1a) par laquelle il rejette des fumées de combustion (FC), une unité d'alimentation (3) en gaz comburant (GC) comportant un mélangeur (31) et une source (30) de dioxygène gazeux qui fournit un gaz riche en dioxygène et qui est raccordée à une première entrée du mélangeur (31), un circuit principal d'évacuation (5) raccordé à la sortie (1a) du dispositif de combustion (1) et débouchant à l'air libre, des moyens de recyclage (4) qui comportent une boucle de recyclage (40) entre le circuit principal d'évacuation (5) et une deuxième entrée du mélangeur (31), au moins un ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) monté sur la boucle de recyclage (40), une dérivation (6) qui est raccordée à la boucle de recyclage (40) en aval du ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) et qui débouche à l'air libre, et une unité de commande (7) adaptée pour commander au moins le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR).
Description
SYSTEME DE COMBUSTION APTE A FONCTIONNER AVEC UN RECYCLAGE DES FUMEES DE COMBUSTION
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de la combustion avec un recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
Art antérieur
Une combustion dite « classique » consiste à mélanger dans une installation de combustion (four, chaudière, etc.) de l’air (comburant) à un combustible dans des conditions de hautes températures pour créer l’oxydation. La réaction est exothermique et s’entretient naturellement. L’air contient 21 % de dioxygène (O2) et le volume d’air utilisé est contrôlé de sorte que la quantité de dioxygène soit suffisante pour la combustion.
En combustion classique, les fumées de combustion comportent de la vapeur d’eau (H2O) et des produits de combustion en phase gazeuse, dont principalement du diazote (N2) en phase gazeuse, et du dioxyde de carbone (CO2) en phase gazeuse.
Dans le présent texte, on désigne par les termes « gaz de combustion », les produits de combustion en phase gazeuse qui sont rejetés après la combustion.
Si on souhaite capter le CO2 de ces fumées, il est aisé d’éliminer la vapeur d’eau en condensant ces fumées de combustion et en recueillant l’eau sous forme liquide. En revanche la difficulté principale réside dans la séparation de l’azote et du dioxyde carbone. En outre, en combustion classique, et selon le type de combustible utilisé, le gaz de combustion peut également comporter d’autres produits de combustion polluants en phase gazeuse, en quantité plus ou moins importante, tels que par exemple SOx (oxydes de soufre), NOx (oxydes d’azote), HCl (chlorure d’hydrogène), HF (fluorure d’hydrogène), etc... Par conséquent si on souhaite capter le CO2 de ces fumées, il faut également séparer le CChde ces autres polluants.
Plusieurs solutions ont été envisagées pour capter le CO2 dans des
fumées issues de combustion classique, mais leur coût reste très élevé.
Pour réduire l’émission de polluants dans les fumées de combustion, il est connu de remplacer la combustion classique susvisée, par une combustion, dite « oxycombustion », dans laquelle l’air (comburant) est remplacé par du dioxygène dans des proportions stoechiométriques, le nombre d’atomes d’oxygène étant égal à celui nécessaire pour oxyder l’ensemble des atomes du combustible.
La production de dioxygène pour mettre en œuvre l’oxycombustion peut par exemple être obtenue de manière connue par cryogénie ou par électrolyse de l’eau.
Dans le cas par exemple d’une oxycombustion de méthane (CH4), on produit des fumées de combustion constituées d’1/3 de CO2 en phase gazeuse et de 2/3 de vapeur d’eau en volume. Dans le cas d’autres combustibles, on aura en plus les polluants issus de la combustion, comme par HCl, SOx, etc. Si le combustible n’est pas azoté, de manière avantageuse les fumées ne contiendront naturellement pas de NOx.
L’équation de la réaction chimique de l’oxycombustion du méthane (CH4) est la suivante :
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O -891 kJ/mole de CH4
Cela signifie que chaque mole de CH4 produira une puissance de 891 kJ vers l’extérieur.
Pour les autres combustibles, les réactions sont analogues, avec l’apparition d’autres composés si le combustible contient d’autres atomes que le carbone et l’hydrogène.
Dans le cas par exemple de l’oxycombustion du méthane, on constate qu’il est plus aisé de capter le CO2. Il suffit pour cela de condenser l’eau des fumées de combustion par un procédé de refroidissement ou d’assèchement pour obtenir du CO2 à l’état gazeux.
Il est donc connu à ce jour de mettre en œuvre un condenseur pour condenser les fumées d’oxycombustion afin de faciliter le captage du CO2.
Une difficulté importante de l’oxycombustion réside toutefois dans la
difficulté de maîtrise de la combustion, car à la différence de la combustion classique, la température d’oxycombustion peut rapidement et de manière non contrôlée devenir très élevée dans la chambre de combustion, de sorte que les installations de combustion classiques ne résistent pas.
Pour pallier cette difficulté, on a déjà proposé des installations permettant d’améliorer l’oxycombustion, en recyclant au moins une partie des fumées de combustion riches en CO2 en phase gazeuse, de préférence en les condensant, de manière à la mélanger avec le dioxygène et à obtenir un gaz comburant (O2-CO2) qui permet avantageusement d’abaisser la température de combustion.
Ce perfectionnement permet une oxycombustion à base de dioxygène avec recyclage des fumées de combustion plus facilement maîtrisée, par rapport à une oxycombustion mettant en œuvre uniquement du dioxygène comme comburant, tout en réduisant l’émission de polluants par rapport à une combustion classique et en facilitant le cas échéant le captage du CO2.
Ces installations sont prévues pour fonctionner uniquement en oxycombustion avec recyclage des fumées de combustion, ce qui induit plusieurs inconvénients.
Les procédures de démarrage et d’arrêt de ces installations sont des phases de fonctionnement critiques et risquées et peuvent de manière préjudiciable conduire à des températures d’oxycombustion, avec recyclage des fumées de combustion, non contrôlées et trop élevées dans la chambre de combustion.
Au cours de l’oxycombustion, avec recyclage des fumées de combustion, une baisse de concentration en dioxygène trop importante dans le gaz comburant peut de manière préjudiciable aboutir à un arrêt intempestif de la combustion dans la chambre de combustion de l’installation, ce qui peut avoir des conséquences graves par exemple dans une chaîne de production industrielle utilisant l’énergie thermique produite.
Objectif de l’invention
L’invention a pour objectif principal de proposer un système de combustion qui peut fonctionner avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion, mais qui permet de pallier tout ou partie des inconvénients susvisés inhérents aux installations d’oxycombustion de l’art antérieur qui mettent en œuvre un tel recyclage des fumées de combustion.
Résumé de l’invention
L’invention a ainsi pour objet un système de combustion comportant un dispositif de combustion permettant la combustion d’un combustible au moyen d’au moins un gaz comburant et comportant une sortie par laquelle il rejette des fumées de combustion, une unité d’alimentation en gaz comburant qui est raccordée au dispositif de combustion et permet d’alimenter le dispositif de combustion en gaz comburant, ladite unité d’alimentation en gaz comburant comportant un mélangeur et une source de dioxygène gazeux qui fournit un gaz riche en dioxygène et qui est raccordée à une première entrée du mélangeur, un circuit principal d’évacuation raccordé à la sortie du dispositif de combustion et débouchant à l’air libre, des moyens de recyclage qui comportent une boucle de recyclage entre le circuit principal d’évacuation et une deuxième entrée du mélangeur, au moins un ventilateur ou compresseur de recyclage monté sur la boucle de recyclage et adapté pour faire circuler un fluide gazeux dans la boucle de recyclage en direction de la deuxième entrée du mélangeur depuis un raccordement de la boucle de recyclage avec le circuit principal d’évacuation, une dérivation qui est raccordée à la boucle de recyclage en aval du ventilateur ou compresseur de recyclage (c’est-à-dire entre le ventilateur ou compresseur de recyclage et la deuxième entrée du mélangeur) et qui débouche à l’air libre, et une unité de commande adaptée pour commander au moins le ventilateur ou compresseur de recyclage.
Ladite dérivation permet au moins d’alimenter le mélangeur avec de l’air entrant dans la dérivation.
Les termes « gaz riche en dioxygène » signifient que le gaz contient au moins 40% (pourcentage volumique) de dioxygène.
Plus particulièrement, l’unité de commande est adaptée pour commander le ventilateur ou compresseur de recyclage de manière à pouvoir configurer le système de combustion dans un mode de fonctionnement choisi parmi au moins deux modes de fonctionnement différents (M1 ; M2) et à pouvoir passer d’un mode de fonctionnement à l’autre : un premier mode de fonctionnement (M1 ) dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage est à l’arrêt et le mélangeur n’est pas alimenté en gaz riche en dioxygène en provenance de la source de dioxygène gazeux et est alimenté par de l’air entrant dans la dérivation, et un deuxième mode de fonctionnement (M2), dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage fonctionne, et le mélangeur est alimenté au moins avec du gaz riche en dioxygène fourni par la source de dioxygène gazeux et avec au moins une partie des fumées de combustion rejetées par le dispositif de combustion.
Dans ledit premier mode de fonctionnement (M1 ), le mélangeur est alimenté au moins avec de l’air aspiré via la dérivation et l’intégralité des fumées de combustion émises par le dispositif de combustion est évacuée à l’air libre, éventuellement après avoir été traitée, sans être recyclée.
Il en résulte que le gaz comburant contient au moins de l’air et ne contient pas de dioxygène en provenance de la source de dioxygène gazeux. La combustion dans le dispositif de combustion est ainsi une combustion classique.
Dans ce premier mode de fonctionnement et dans une variante particulière de réalisation, le gaz comburant est de préférence constitué uniquement d’air.
Dans ledit deuxième mode de fonctionnement (M2), le gaz comburant contient au moins du gaz riche en dioxygène en provenance de la source de dioxygène gazeux et au moins une partie des fumées de combustion qui a été recyclée et qui a de préférence été traitée (avant recyclage ou dans la boucle de recyclage), en particulier en étant de préférence au moins déshumidifiée.
Il en résulte que la combustion dans le dispositif de combustion est
de type oxycombustion avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
Plus particulièrement, dans ledit deuxième mode de fonctionnement (M2), dans une phase de fonctionnement particulière, désignée ultérieurement « oxycombustion dégradée » le gaz comburant peut comporter de l’air, qui a été aspiré dans l’air ambiant via la dérivation. Dans ledit deuxième mode de fonctionnement et dans une autre phase de fonctionnement particulière désignée ultérieurement « oxycombustion améliorée », le gaz comburant ne contient pas d’air aspiré dans l’air ambiant via la dérivation.
Le dispositif de combustion peut être un dispositif de combustion courant du marché ou un dispositif de combustion particulier qui a été développé de manière spécifique. Ce dispositif de combustion peut avoir des entrées d’air à différents points d’injection en fonction du besoin de la combustion. De manière avantageuse, l’invention peut plus particulièrement être mise en œuvre sans qu’il soit nécessaire d’apporter de modification à ce dispositif de combustion.
Plus particulièrement, le système de combustion de l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles et optionnelles suivantes, prises isolément, ou en combinaison les unes avec les autres :
- Le système de combustion comporte en outre au moins un capteur qui est adapté pour au moins mesurer le débit ou la pression de fluide gazeux sortant dans la partie aval du circuit d’évacuation principal située en aval du raccordement de la boucle de recyclage avec le circuit principal d’évacuation et qui délivre un signal de mesure de pression ou débit traité par l’unité de commande.
- Le système de combustion comporte en outre au moins un capteur 60 qui est adapté pour au moins mesurer le débit ou la pression de fluide gazeux sortant dans la dérivation 6, et qui délivre un signal de mesure de pression ou débit traité par l’unité de commande.
- L’unité de commande est adaptée pour commander le ventilateur ou
compresseur de recyclage en fonction au moins du débit ou de la pression mesurée par ledit capteur pendant au moins un mode de fonctionnement avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
- L’unité de commande est adaptée pour commander au moins le ventilateur ou compresseur de recyclage, et le cas échéant le dispositif de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène, de manière à pouvoir passer d’un mode de fonctionnement (M1 ou M2) à l’autre (M2 ou M1 ) sans arrêter la combustion dans le dispositif de combustion.
- La source de dioxygène gazeux est raccordée à ladite première entrée du mélangeur via un dispositif de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène qui est commandé par l’unité de commande, et de préférence qui comporte une vanne de contrôle de débit qui est commandée par l’unité de commande.
- La vanne de contrôle de débit est une vanne à ouverture et fermeture progressives.
- Le système de combustion comporte au moins un capteur adapté pour mesurer la concentration en dioxygène dans le gaz comburant et l’unité de commande est adaptée pour commander le dispositif de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène en fonction de la concentration en dioxygène mesurée par ce capteur (au moins pendant un mode de fonctionnement (M2) avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
- Le dispositif de combustion comporte un ventilateur ou compresseur adapté pour alimenter le dispositif de combustion en gaz comburant avec un débit ( GC) donné, qui est de préférence variable.
- Le débit d’alimentation du dispositif de combustion en combustible est variable et le dispositif de combustion comporte un ventilateur ou compresseur adapté pour alimenter le dispositif de combustion en gaz comburant avec un débit ( GC) qui varie en fonction du débit d’alimentation du dispositif de combustion en combustible.
- Le système de combustion comporte un dispositif de traitement des fumées de combustion qui est monté sur le circuit d’évacuation principal.
- Le système de combustion comporte un dispositif de traitement des fumées de combustion recyclées qui est monté sur la boucle de recyclage de préférence entre le ventilateur ou compresseur de recyclage et le raccordement de la boucle de recyclage avec le circuit principal d’évacuation.
- Le dispositif de traitement est adapté pour déshumidifier les fumées de combustion.
- Le dispositif de traitement comporte un condenseur.
- Le condenseur comporte au moins un échangeur comportant un liquide refroidissant.
- L’échangeur comporte un bain de liquide refroidissant, et des moyens d’injection permettant de faire passer le fluide gazeux (à déshumidifier à travers ce bain de liquide refroidissant (L), et de préférence les moyens d’injection permettent d’injecter le fluide gazeux à déshumidifier au-dessous de la surface de ce bain de liquide de refroidissant.
- Le dispositif de traitement est adapté pour dépolluer les fumées de combustion et plus particulièrement pour capter un ou plusieurs polluants choisis parmi la liste suivante : particules fines, SOx, NOx, acides, métaux lourds, ammoniac, COV.
- Le système de combustion comporte au moins un capteur adapté pour mesurer la concentration en dioxygène dans le gaz comburant et l’unité de commande est adaptée pour commander le dispositif de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène et le ventilateur ou compresseur de recyclage, en fonction de la concentration mesurée en dioxygène dans le gaz comburant, et de préférence de manière à passer d’un mode de fonctionnement (M2) avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion à un mode de fonctionnent (M1 )
sans recyclage des fumées de combustion.
- Le système de combustion comporte un dispositif de captage du dioxyde de carbone (CO2), qui est raccordé à la dérivation et qui est adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie des fumées de combustion recyclées sortantes évacuées via ladite dérivation et/ou comportant un dispositif de captage du dioxyde de carbone (CO2), qui est raccordé à la partie aval du circuit d’évacuation principal située en aval du raccordement de la boucle de recyclage avec le circuit principal d’évacuation et qui est adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie des fumées de combustion non recyclées sortantes évacuées via ladite partie aval du circuit d’évacuation principal.
- Le gaz riche en dioxygène fourni par la source de dioxygène gazeux comporte au moins 50% de dioxygène, de préférence au moins 80% de dioxygène, et plus préférentiellement encore au moins 90% de dioxygène.
- Le gaz riche en dioxygène fourni par la source de dioxygène gazeux est du dioxygène pur ou quasi pur.
- Le système de combustion comporte un dispositif d’injection de dioxyde de carbone raccordé à une entrée du mélangeur et adaptée pour d’injecter du dioxyde de carbone (CO2) gazeux dans le mélangeur pendant une phase particulière (« oxycombustion dégradée ») du mode de fonctionnement (M2) avec recyclage des fumées de combustion.
Brève description des figures
Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après de plusieurs variantes particulières de réalisation de l’invention, lesquelles variantes particulières de réalisation sont décrites à titre d’exemples non limitatifs et non exhaustifs de l’invention, et en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 est une représentation schématique d’une première
variante particulière de réalisation d’un système de combustion de l’invention.
- La figure 2 représente le système de combustion de la figure 1 dans le premier en mode de fonctionnement M1 (« combustion classique ») ;
- La figure 3 représente le système de combustion de la figure 1 dans le deuxième en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans une phase de fonctionnement particulière (« oxycombustion dégradée »).
- La figure 4 représente le système de combustion de la figure 1 dans le deuxième en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans une autre phase de fonctionnement particulière (« oxycombustion améliorée »).
- La figure 5 est une représentation schématique d’une deuxième variante particulière de réalisation d’un système de combustion de l’invention.
- La figure 6 représente le système de combustion de la figure 5 dans le premier en mode de fonctionnement M1 (« combustion classique ») ;
- La figure 7 représente le système de combustion de la figure 5 dans le deuxième en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans une phase de fonctionnement particulière (« oxycombustion dégradée »).
- La figure 8 représente le système de combustion de la figure 5 dans le deuxième en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans une autre phase de fonctionnement particulière (« oxycombustion améliorée »).
- Les figures 9 à 13 sont des représentations schématiques de cinq autres variantes particulières de réalisation d’un système de combustion de l’invention.
- La figure 14 représente un exemple particulier de condenseur pouvant être mis en œuvre dans un système de combustion de l’invention.
Description détaillée
Système de combustion de la figure 1
On a représenté schématiquement sur la figure 1 une première variante de réalisation d’un système de combustion de l’invention comportant :
- un dispositif de combustion 1 , qui est alimenté avec un gaz comburant GC provenant d’une unité 3 d’alimentation en gaz comburant et avec un combustible C provenant d’une source de combustible 2 et qui, en fonctionnement, rejette par une sortie 1a des fumées de combustion FC;
- un circuit principal 5 d’évacuation d’au moins une partie des fumées de combustion émises par le dispositif de combustion 1 , lequel circuit principal d’évacuation 5 est raccordé à une extrémité à la sortie 1a du dispositif de combustion 1 et débouche à son extrémité opposée à l’air libre (à la pression atmosphérique) dans l’air ambiant ; ce circuit principal d’évacuation 5 comporte plus particulièrement une cheminée d’évacuation 50 débouchant à l’air libre ;
- des moyens de recyclage 4, qui comportent une boucle de recyclage 40 raccordant le circuit principal d’évacuation 5 à une entrée de l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC et un ventilateur de recyclage VR, qui est monté sur la boucle de recyclage 40 ; le ventilateur de recyclage VR permet en fonctionnement de faire circuler de manière forcée un fluide gazeux dans la boucle de recyclage 40 depuis le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5 et en direction de l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC ;
- une dérivation 6, qui est raccordée (raccordement 40b) à la boucle de recyclage 40 en aval du ventilateur de recyclage VR et qui débouche à l’air libre à la pression atmosphérique dans l’air ambiant ;
- au moins un capteur 51 adapté pour au moins mesurer la pression ou le débit du fluide gazeux sortant qui est évacué à l’air libre via la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5 située en aval du
raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5.
Le capteur 51 peut par exemple être monté dans une conduite entre le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5 et la cheminée d’évacuation 50, tel qu’illustré sur la figure 1 , ou peut être monté directement dans la cheminée d’évacuation 50.
Dans cette variante de réalisation de la figure 1 , l’unité de commande 7 est adaptée pour commander au moins le ventilateur de recyclage VR en fonction au moins du débit ou de la pression mesurée par ledit capteur 51 (signal de détection S51 délivré par le capteur), tel que cela sera détaillé ultérieurement.
L’unité de commande 7 peut être implémentée sous des formes variées, et peut par exemple être réalisée au moyen d’une unité de commande électronique programmable, par exemple du type automate programmable ou d’un circuit électronique programmable comportant un microprocesseur, un microcontrôleur ou des circuits logiques programmables de type FPGA, ou peut encore être réalisée au moyen d’un circuit électronique intégré spécifique de type ASIC.
La dérivation 6 peut être constituée par une simple canalisation raccordée à une extrémité à la boucle de recyclage 40 et débouchant directement à l’air libre (à la pression atmosphérique) à son autre extrémité. Dans sa version la plus simple, cette deuxième dérivation 6 peut également être une simple ouverture permettant de faire communiquer la boucle de recyclage 40 avec l’air ambiant.
En variante, le ventilateur de recyclage VR peut être remplacé par un compresseur d’air.
Le dispositif de combustion 1 permet d’une manière générale de réaliser une combustion du combustible C au moyen dudit gaz comburant GC, l’énergie thermique résultant de cette combustion pouvant indifféremment selon l’invention être utilisée dans tout type d’application nécessitant un apport thermique, et par exemple et de manière non limitative pour chauffer un fluide
dans une installation de chauffage ou pour alimenter une chaîne de production industrielle en énergie, notamment thermique, mécanique ou électrique. Ce dispositif de combustion 1 peut indifféremment selon l’invention comporter une chaudière classique, un four, ou une chambre de combustion dans laquelle est mis en œuvre un procédé de combustion.
Le dispositif de combustion 1 comporte de manière usuelle un ventilateur (ou compresseur) 10 qui permet de tirer ou pousser le gaz comburant GC dans l’installation de combustion 1 , avec un réglage ou une régulation automatique du débit 0GC de gaz comburant GC entrant dans le dispositif de combustion 1 pour s’adapter au débit du combustible C et satisfaire les besoins en énergie thermique.
Le dispositif de combustion 1 peut être un dispositif de combustion courant du marché ou un dispositif de combustion particulier qui a été développé de manière spécifique.
La réaction de combustion du combustible C au moyen du gaz comburant GC produit des fumées de combustion FC dont la composition dépend du combustible C et du gaz comburant GC.
Dans le cadre de l’invention, le combustible C peut être très différent d’une application à l’autre et peut selon le cas se présenter sous forme solide, liquide ou gazeuse.
L’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC comporte une source 30 de dioxygène gazeux (O2) qui alimente une entrée d’un mélangeur 31 , via un dispositif 32 de contrôle de débit commandé par l’unité de commande 7. L’autre entrée du mélangeur 31 est raccordée à la boucle de recyclage 40.
La source 30 de dioxygène gazeux permet de fournir un gaz riche en dioxygène, c’est-à-dire un gaz contenant au moins 40% (pourcentage volumique) de dioxygène.
De préférence, tel que cela sera discuté ultérieurement, le gaz riche en dioxygène peut avantageusement, mais non nécessairement, être constitué de dioxygène pur ou quasi pur (concentration volumique supérieure à 90%).
La source 30 de dioxygène gazeux peut être de tout type connu et peut par exemple comporter une unité de production de dioxygène gazeux par cryogénie et/ou une unité de production de dioxygène gazeux par électrolyse l’eau. La source 30 de dioxygène gazeux peut également être une unité de production d’un gaz riche en dioxygène contenant au moins 40% de dioxygène obtenu par une filtration adaptée d’air au moyen de zéolithes ou équivalent. La source 30 de dioxygène gazeux peut également ne pas être conçue pour produire le gaz riche en dioxygène in situ, mais peut simplement comporter un moyen de stockage du gaz riche en dioxygène qui aura été préalablement produit sur un autre site.
Dans une variante, le dispositif de contrôle de débit 32 peut permettre simplement de stopper ou laisser passer le gaz riche en dioxygène en provenance de la source 30. De préférence néanmoins, ce dispositif 32 de contrôle du débit permet de stopper le gaz riche en dioxygène en provenance de la source 30 ou de laisser passer le gaz riche en dioxygène en provenance de la source 30 en permettant un réglage, par l’unité de commande 7, du débit gazeux à l’entrée du mélangeur 31 .
Dans la variante particulière de réalisation de la figure 1 , la source 30 de dioxygène gazeux alimente par exemple le mélangeur 31 avec une pression constante et le dispositif 32 de contrôle de débit à l’entrée du mélangeur 31 comporte une vanne V1 , de préférence une électrovanne, qui est commandée par l’unité de commande 7.
De préférence, cette vanne V1 est une vanne à ouverture et fermeture progressives.
Dans une autre variante, le dispositif 32 de contrôle de débit à l’entrée du mélangeur 31 peut également comporter un système de contrôle de la pression du gaz en sortie de la source 30 associé éventuellement à une vanne qui peut être une vanne tout ou rien ou une vanne à ouverture et fermeture progressives, le système de contrôle de pression et ladite vanne étant commandés par l’unité de commande 7.
De préférence, l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC
comporte également au moins un capteur 33, qui mesure la concentration en dioxygène dans le gaz comburant GC entrant dans le dispositif de combustion 1 et qui délivre à l’unité de commande 7 un signal S de mesure de cette concentration.
De préférence, dans la variante de la figure 1 , le système de combustion comporte un dispositif 8 de traitement des fumées de combustion FC, qui est monté sur la partie amont 5a du circuit principal d’évacuation 5 suitée en amont du raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5
Dans cette variante particulière de réalisation, ce dispositif 8 de traitement des fumées de combustion FC comporte de préférence un condenseur, qui est adapté pour condenser les fumées de combustion FC émises par l’installation de combustion 1 en les refroidissant. Plus particulièrement, le condenseur du dispositif de traitement 8 peut d’une manière générale comporter tout type d’échangeur permettant, par tout moyen, de refroidir les fumées de combustion FC de manière à réaliser une condensation d’au moins une partie de la vapeur d’eau contenue dans les fumées de combustion F. En sortie du dispositif de traitement 8, on obtient dans ce cas des fumées de combustion FC’ (riches en CO2) déshumidifiées contenant principalement les produits de combustion en phase gazeuse produits par la combustion dans le dispositif de combustion 1 , et ayant une humidité absolue inférieure à celle des fumées de combustion FC à l’entrée du dispositif de traitement 8.
Ce dispositif 8 de traitement des fumées de combustion peut également être adapté pour dépolluer les fumées de combustion et de préférence pour capter un ou plusieurs polluants choisis parmi la liste suivante : particules fines, SOx, NOx, acides, métaux lourds, ammoniac, COV. On obtient dans ce cas en sortie du dispositif de traitement 8 des fumées de combustion FC’ (riches en CO2) déshumidifiées et dépolluées.
Dans une variante de réalisation, l’installation peut être dépourvue de dispositif de traitement 8 ou le dispositif de traitement 8 peut être dépourvu de
moyen de déshumidification des fumées de combustion et comporter uniquement des moyens de dépollution des fumées de combustion. Dans ce cas, l’installation comporte de préférence un dispositif de traitement, qui est monté sur la boucle de recyclage 40 en aval ou de préférence en amont du ventilateur ou compresseur de recyclage VR, et qui est adapté pour traiter les fumées de combustion recyclées dans la boucle de recyclage 40 afin au moins de les déshumidifier.
L’unité de commande 7 permet de piloter automatiquement le ventilateur ou compresseur de recyclage VR et l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC, et plus particulièrement dans cette variante le dispositif de contrôle de débit 32, au moyen respectivement des signaux de commande C2 et C1 , d’une manière générale de manière à contrôler la composition du gaz comburant GC.
Plus particulièrement, l’unité de commande 7 permet de piloter automatiquement le ventilateur ou compresseur de recyclage VR et l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC de manière à permettre avantageusement de faire fonctionner l’installation dans un mode de fonctionnement choisi parmi au moins deux modes de fonctionnement différents (M1 et M2) détaillés ci-après et permettre le passage d’un mode de fonctionnement (M1 ou M2) à l’autre (M2 ou M1 ).
Modes de fonctionnement du système de combustion
Le système de combustion de la figure 1 peut être configuré par l’unité de commande 7 pour fonctionner dans au moins deux modes de fonctionnement principaux différents :
M1 (Figure 2) : un mode fonctionnement dit « combustion classique » dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage VR est à l’arrêt et la vanne V1 du dispositif de contrôle de débit 32 est fermée (F).
M2 (Figures 3 et 4) : un mode de fonctionnement dit « oxycombustion avec recyclage » dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage VR fonctionne et est piloté par l’unité de commande
7 et la vanne V1 du dispositif de contrôle de débit 32 est ouverte (O).
Le passage d’un mode (M1 ou M2) de fonctionnement à l’autre (M2 ou M1 ) peut être piloté par l’unité de commande 7 simplement en commandant de manière appropriée le ventilateur ou compresseur de recyclage VR, et le dispositif de contrôle de débit 32 (plus particulièrement la vanne V1 ). Le passage d’un mode (M1 ou M2) de fonctionnement à l’autre (M2 ou M1 ) peut avantageusement être réalisé sans stopper la combustion, et en particulier sans altérer la combustion dans le dispositif de combustion 1 , et sans arrêter le dispositif de combustion 1 .
Mode de fonctionnement M1- « combustion classique » - Figure 2
Dans ce mode de fonctionnement, la vanne V1 d’alimentation en dioxygène provenant de la source 30 a été fermée (F) par l’unité de commande 7 et le ventilateur ou compresseur de recyclage VR est à l’arrêt.
Le ventilateur 10 (ou compresseur) du dispositif de combustion 1 fonctionne en imposant à l’entrée du dispositif de combustion 1 un débit 0GC de gaz comburant GC, qui peut varier.
Le mélangeur 31 n’est pas alimenté en dioxygène provenant de la source 30. Le mélangeur 31 est alimenté uniquement avec de l’air entrant qui est aspiré via la dérivation 6 et qui est acheminé jusqu’à l’entrée du mélangeur 31. Une combustion classique est ainsi réalisée dans l’installation de combustion 1 au moyen de cet air entrant utilisé comme gaz comburant.
Les fumées de combustion FC, après avoir été traitées (FC’) en passant dans le dispositif de traitement 8, ne recirculent pas jusqu’au mélangeur 31 mais sont évacuées à l’air libre dans l’atmosphère en étant poussées par le ventilateur (ou compresseur) 10 dans la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5.
Dans une variante de réalisation et de manière optionnelle, la boucle de recyclage 40 peut également être équipée de registres d’arrêt des fumées, qui sont commandés par l’unité de commande 7 en mode de fonctionnement M1 et qui sont ouverts par l’unité de commande 7 dans le mode de
fonctionnement M2 (recyclage d’au moins une partie de fumées de combustion). Ces registres peuvent également être actionnés manuellement. Mode de fonctionnement M2 - « oxycombustion avec recyclage » - Figures 3 et 4
Dans ce mode de fonctionnement, Le ventilateur 10 (ou compresseur) de l’installation de combustion fonctionne en imposant à l’entrée de l’installation 1 un débit donné ( GC) de gaz comburant GC gui peut varier.
L’unité de commande 7 commande automatiguement l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC, et en particulier le dispositif de contrôle de débit 32, en fonction de la concentration en dioxygène mesurée dans le gaz comburant GC au moyen du capteur 33 (signal S), de manière à produire un gaz ayant un taux de dioxygène approprié (par exemple fixé par une consigne de préférence paramétrable) gui est exigé ou demandé par la combustion.
L’unité de commande 7 commande également automatiguement le démarrage du ventilateur ou compresseur de recyclage VR et commande automatiguement ce ventilateur ou compresseur de recyclage VR, en fonction de la pression ou du débit mesuré par le capteur 51 .
En particulier, l’unité de commande 7 commande automatiguement le ventilateur ou compresseur de recyclage VR, jusgu’à ce gue le débit ou la pression mesuré par ce capteur 51 atteigne au moins une consigne de fonctionnement prédéfinie et de préférence paramétrable, et régule automatiguement le débit de ce ventilateur ou compresseur de recyclage VR de manière à maintenir ladite pression ou ledit débit mesuré par le capteur 51 à cette consigne de fonctionnement ou au voisinage de cette consigne de fonctionnement.
Cette consigne de fonctionnement est fixée de telle sorte gue le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR est inférieur au débit des fumées de combustion FC en sortie du dispositif de traitement 8 ou, en l’absence de dispositif de traitement 8, en sortie du dispositif de combustion
1 , de manière à recycler vers le mélangeur 31 au moins une partie FC2 des fumées de combustion, l’autre partie FC1 étant évacuée à l’air libre dans l’atmosphère via la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5.
Plus la pression ou le débit mesuré par le capteur 51 est faible, et plus le débit des fumées de combustion FC2 recyclées en direction du mélangeur 31 est important.
Dans le mode de fonctionnement M2 de cette variante de réalisation, si le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR devient, par exemple accidentellement, supérieur au débit des fumées de combustion (FC ou FC’) en amont du raccordement 40a de la boucle de recyclage, dans ce cas de manière automatique et en toute sécurité, l’intégralité des fumées de combustion est recyclée (FC2 = FC’) vers le mélangeur 31 , et aucune fumée de combustion FC1 n’est évacuée dans l’atmosphère, mais au contraire de l’air entrant, en provenance de l’air ambiant, est automatiquement aspiré en complément dans la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5 et est acheminé dans la boucle de recyclage 40 jusqu’à l’entrée du mélangeur 31. La combustion dans le dispositif de combustion 1 ne subit avantageusement aucune perturbation car la pression dans la partie aval 5b (débouchant à l’air libre) du circuit principal d’évacuation 5 n’est pas modifiée.
Ce mode de fonctionnement M2 comporte en pratique deux phases de fonctionnement :
- une première phase de fonctionnement dite « oxycombustion dégradée », qui est illustrée sur la figure 3.
- une deuxième phase de fonctionnement dite « oxycombustion améliorée » illustrée sur la figure 4
Phase de fonctionnement de la figure 3 - « oxycombustion dégradée »
Tant que le débit de recyclage du ventilateur ou compresseur de recyclage VR est suffisamment faible, une partie FC1 des fumées de combustion traitées FC’ (après passage dans le dispositif de traitement 8) est évacuée dans l’air ambiant via la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5 et une autre partie FC2 des fumées de combustion traitées FC’
(après passage dans le dispositif de traitement 8) est recyclée dans la boucle de recyclage 40 jusqu’à l’entrée du mélangeur 31 .
Le mélangeur 31 est alimenté en gaz riche en dioxygène provenant de la source 30 (vanne V1 ouverte) avec un débit (002) et est alimenté avec les fumées de combustion traitées FC2 avec un débit .
Le mélangeur 31 est également alimenté avec de l’air qui est aspiré dans l’air ambiant, via la dérivation 6, avec un débit d’air entrant 0AIR et qui est acheminé jusqu’au mélangeur 31 , via la portion de la boucle de recyclage 40 en aval du raccordement 40a de la dérivation 6 avec la boucle de recyclage 40, en même temps que les fumées de combustion FC2.
En fonctionnement : 0GC = 002 + 0 + 0AIR
Cette phase de fonctionnement perdure tant que le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR est en dessous d’un seuil critique.
Dans cette phase de fonctionnement, le gaz comburant GC contient du dioxygène provenant du gaz riche en dioxygène fourni par la source 30, les fumées de combustion traitées et recyclées FC2 (riches en CO2) et de l’air.
Dans cette phase de fonctionnement, lorsque le débit 002 de gaz riche en dioxygène à l’entrée du mélangeur 31 augmente et/ou lorsque le débit 0 des fumées de combustion traitées recyclées FC2 à l’entrée du mélangeur 31 augmente, le débit d’air 0AIR aspiré dans la deuxième dérivation 6 diminue automatiquement. Inversement lorsque le débit 0Û2 de gaz riche en dioxygène à l’entrée du mélangeur 31 diminue et/ou lorsque le débit 0des fumées de combustion traitées et recyclées FC2 à l’entrée du mélangeur 31 diminue le débit d’air 0AIR aspiré dans la deuxième dérivation 6 augmente automatiquement.
Phase de fonctionnement de la figure 4 - « oxycombustion améliorée »
On bascule automatiquement dans cette phase de fonctionnement, lorsque le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR passe au- dessus d’un seuil critique se traduisant par une inversion de flux gazeux dans
la dérivation 6, de l’air n’étant plus aspiré dans cette dérivation 6, mais une partie FC22 des fumées de combustion traitées et recyclées FC2 étant évacuée automatiquement dans la dérivation 6 et la partie restante FC21 des fumées de combustion traitées et recyclées FC2 étant acheminée à l’entrée du mélangeur 31.
Dans cette phase de fonctionnement, le mélangeur 31 est alimenté en dioxygène provenant du gaz riche en dioxygène de la source 30 (vanne V1 ouverte) avec un débit donné (002) et est alimenté avec un débit 01 avec la partie FC21 des fumées de combustion traitées et recyclées FC2; l’autre partie FC22 des fumées de combustion traitées et recyclées FC2 est évacuée dans la dérivation 6 avec un débit 02.
En fonctionnement :
0= 01 + 02
0GC = 002 + 01
Lorsque le débit 0Û2 de gaz riche en dioxygène à l’entrée du mélangeur 31 est augmenté, le débit 01 de la partie recyclée FC21 des fumées de combustion FC2 diminue automatiquement et lorsque le débit 0Û2 de gaz riche en dioxygène à l’entrée du mélangeur 31 est diminué, le débit 01 de la partie recyclée FC21 des fumées de combustion FC2 augmente automatiquement.
Le gaz comburant GC contient ainsi du dioxygène provenant du gaz riche en dioxygène de la source 30 et la partie FC21 des fumées de combustion FC2.
Le passage d’une phase de fonctionnement à l’autre peut facilement et en toute sécurité être contrôlée par l’unité de commande 7 en ajustant automatiquement le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR et de manière avantageuse sans devoir mettre le dispositif de combustion 1 à l’arrêt et sans devoir stopper la combustion dans le dispositif de combustion 1.
De préférence, dans le mode fonctionnement M2, l’unité de
commande 7 régule automatiquement le débit Û2 de gaz riche en dioxygène (par exemple en fermant plus ou moins la vanne V1 ) de telle sorte que la concentration en dioxygène mesurée par le capteur 33 dans le gaz comburant GC est égale ou supérieure à une consigne de fonctionnement donnée ou est dans une plage de fonctionnement donnée. Ceci permet au système de s’adapter automatiquement aux variations de débit 0GC de gaz comburant GC (imposées par le dispositif de combustionl ), en maintenant une concentration appropriée de dioxygène O2 dans le gaz comburant GC.
Le système de combustion de la figure 1 peut notamment, mais pas exclusivement, fonctionner avec un combustible C produisant dans la phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée » des fumées de combustion FC qui contiennent principalement du dioxyde de carbone (CO2) et de la vapeur d’eau (H2O), et dans une moindre mesure du dioxygène (O2) et de l’oxyde de carbone (CO).
Ainsi, de manière non limitative et non exhaustive, le combustible C utilisé dans le système de combustion de la figure 1 peut avantageusement être un hydrocarbure de tout type, et par exemple un hydrocarbure conventionnel issu du pétrole ou gaz naturel ou un hydrocarbure non conventionnel issu du gaz ou pétrole de schiste, des schistes ou sables bitumeux, du gaz de houille, du biogaz, du singaz, etc.
Par exemple, lorsque le combustible C est un hydrocarbure saturé de type alcane (CnH2n+2), la réaction d’oxycombustion dans l’installation est de manière connue :
CnH2n+2 + (3n+1 )/2 O2 nCÛ2 + (n+1 )H2O - Energie (kJ/mole de CnH2n+2) Le combustible peut être également un combustible notamment solide ou liquide issu de l’extraction (charbon, bois, ... ) ou peut comporter des déchets (plastiques, matériaux de récupération, ...)
Le recyclage à l’entrée du mélangeur 31 du gaz de combustion contenant du CO2 permet de manière connue en soi, de mieux contrôler la réaction d’oxycombustion dans le dispositif de combustion 1 et d’abaisser significativement la température de combustion dans ce dispositif de
combustion 1 , comparativement à une réaction d’oxycombustion qui serait réalisée à partir uniquement ou essentiellement de dioxygène pur comme comburant.
Le système de combustion peut avantageusement fonctionner sans limite de temps dans le mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans ladite phase « oxycombustion dégradée » avec une entrée partielle de l’air au moins par la dérivation 6 (et éventuellement par une autre entrée d’air secondaire ou une entrée de gaz comburant secondaire raccordée directement au dispositif de combustion 1 ), et un rejet partiel dans l’atmosphère d’une partie FCi des fumées de combustion FC (en l’absence de dispositif de traitement 8) ou FC’ (avec dispositif de traitement), via la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5.
De préférence, lorsque le système de combustion a basculé dans le mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage »), l’unité de commande 7 régule automatiquement le débit 002 de dioxygène (par exemple dans ce cas particulier en fermant plus ou moins la vanne progressive V1 ) en utilisant le signal de mesure S de la concentration en dioxygène dans le gaz comburant G.
Le passage du mode de fonctionnement M1 (« combustion classique ») au mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») est simple et sécurisé, les risques de montée en température intempestive et non contrôlée du dispositif de combustion 1 étant évités. Le passage du mode de fonctionnement M1 (« combustion classique ») au mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») ne nécessite avantageusement aucune intervention de l’utilisateur sur le dispositif de combustion 1 et surtout ne nécessite pas de stopper la combustion.
Le passage du mode de fonctionnement M1 au mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage), en phase de « oxycombustion dégradée » ou en phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée », peut être demandé à l’unité de commande 7, à l’initiative de l’utilisateur du système de combustion, au moyen par exemple
d’une commande manuelle de changement de mode de fonctionnement.
Le passage du mode de fonctionnement M1 au mode de fonctionnement M2 peut également être mis en œuvre lors du démarrage du système de combustion en vue de le faire fonctionner en « oxycombustion avec recyclage » (M2).
Procédure de démarrage du système de combustion
Lorsqu’un utilisateur souhaite démarrer le système de combustion en vue de le faire fonctionner en « oxycombustion avec recyclage » (M2), il demande à l’unité de commande 7, au moyen d’une commande appropriée, d’exécuter une procédure de démarrage.
L’unité de commande 7 exécute cette procédure de démarrage en configurant dans un premier temps le système de combustion en mode de fonctionnement M1 (« combustion classique »).
Puis le dispositif de combustion 1 est démarré, notamment en mettant en fonctionnement au moins le ventilateur (ou compresseur 10) du dispositif de combustion 1 , soit manuellement par l’utilisateur, soit de manière automatisée par exemple par l’unité de commande 7, ce qui permet dans un premier temps de faire fonctionner le système en combustion classique (M1 ).
Ensuite, dans un deuxième temps, l’unité de commande 7 pilote le système de combustion, de manière à basculer automatiquement en « oxycombustion avec recyclage » (M2), tel que précédemment décrit, en choisissant la phase de fonctionnement dite « oxycombustion dégradée » ou la phase de fonctionnement dite « oxycombustion améliorée ».
Une telle phase de démarrage est avantageusement simple et sécurisée. En particulier, comparativement à un système de combustion de l’art antérieur qui est adapté pour fonctionner uniquement en mode d’oxycombustion améliorée avec recyclage des fumées de combustion, on évite pendant la phase de démarrage les risques de montée en température intempestive et non contrôlée, qui sont inhérents dans ce type d’installation de l’art antérieur du fait d’une concentration initiale de dioxygène importante dans le gaz comburant et d’une concentration initiale de CO2 faible.
Exemple de pilotage du système de combustion pour passer du mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») au mode de fonctionnement M1 (« combustion classigue »)
On suppose gue le système de combustion est configuré en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage »).
Le dispositif de combustion 1 fonctionne, le ventilateur ou compresseur de recyclage VR fonctionne et le ventilateur 10 (ou compresseur) de l’installation de combustion 1 fonctionne en imposant un débit donné ( GC) de gaz comburant GC constitué d’air à l’entrée de l’installation 1.
Pour passer de ce mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») au mode de fonctionnement M1 (« combustion classigue »), il suffit à l’unité de commande 7 de commander le ralentissement jusgu’à l’arrêt du ventilateur ou compresseur de recyclage VR, puis de commander la fermeture de la vanne V1 .
Le passage du mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») au mode de fonctionnement M1 (« combustion classigue ») est simple, rapide et sécurisé, les risgues de montée en température intempestive et non contrôlée de l’installation de combustion 1 étant évités. Le passage du mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») au mode de fonctionnement M1 (« combustion classigue ») ne nécessite avantageusement aucune intervention de l’utilisateur sur le dispositif de combustion 1 et surtout ne nécessite pas de stopper la combustion.
Le passage du mode de fonctionnement M2 au mode de fonctionnement M1 peut être demandé à l’unité de commande 7, à l’initiative de l’utilisateur du système de combustion, au moyen par exemple d’une commande manuelle de changement de mode de fonctionnement.
Le passage du mode de fonctionnement M2 au mode de fonctionnement M1 peut également être mis en œuvre lors d’une procédure d’arrêt du fonctionnement du système de combustion.
Procédure d’arrêt du système de combustion
Lorsqu’un utilisateur souhaite arrêter le système de combustion alors que celui-ci fonctionne en « oxycombustion avec recyclage » (M2), il demande à l’unité de commande 7, au moyen d’une commande appropriée, d’exécuter une procédure d’arrêt.
L’unité de commande 7 exécute cette procédure d’arrêt en commandant le ralentissement jusqu’à l’arrêt du ventilateur ou compresseur de recyclage VR, tel que précédemment décrit, puis en commandant la fermeture de la vanne V1 du dispositif 32 de contrôle de débit de gaz riche en dioxygène afin de passer du mode de fonctionnement M2 au mode de fonctionnement M1.
Une fois que le système de combustion est configuré dans ce mode de fonctionnement M1 (« oxycombustion classique »), le dispositif de combustion 1 peut être mis à l’arrêt de manière usuelle et connue sans encourir aucun risque.
Une telle phase d’arrêt est avantageusement simple et sécurisée. En particulier, comparativement à un système de combustion de l’art antérieur qui est adapté pour fonctionner uniquement en oxycombustion avec recyclage des fumées de combustion, on évite pendant la phase d’arrêt les risques de montée en température intempestive et non contrôlée, qui sont inhérents dans ce type d’installation de l’art antérieur.
Le passage du mode de fonctionnement M2 au mode de fonctionnement M1 peut également être mis en œuvre lorsque la concentration de dioxygène (fourni par la source 30) dans le gaz comburant GC devient insuffisante et ne permet plus une oxycombustion améliorée avec recyclage du gaz de combustion.
Cette insuffisance peut avoir plusieurs causes éventuellement cumulatives.
Il peut arriver par exemple qu’au cours du fonctionnement du système de combustion en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage »), et notamment dans la phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée »), une interruption accidentelle de l’alimentation
en dioxygène se produise, par exemple du fait d’un arrêt intempestif de la production in situ de gaz riche en dioxygène par la source 30 ou d’une source 30 de gaz riche en dioxygène qui est vide.
Il peut arriver par exemple qu’au cours du fonctionnement du système de combustion en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage »), et notamment dans la phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée », que l’alimentation en dioxygène diminue de manière trop importante, par exemple du fait d’un ralentissement intempestif de la production in situ de gaz riche en dioxygène par la source 30 ou d’une trop faible pression dans la source 30.
Il peut arriver par exemple qu’au cours du fonctionnement du système de combustion en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et notamment dans la phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée », que le dispositif de combustion 1 soit sollicité pour fournir plus d’énergie thermique et pour y répondre augmente le débit GC (augmentation du débit du ventilateur ou compresseur 10) en gaz comburant GC. Dans ce cas le complément de gaz comburant est automatiquement injecté à travers la dérivation 6.
Si le dispositif de combustion 1 diminue la fourniture d’énergie thermique, ce qui se traduit par une baisse du besoin du gaz comburant GC, l’excès du gaz comburant est rejeté via la dérivation 6 et le système de commande 7 règle le cas échéant la vanne V1 pour réduire l’injection du dioxygène dans le mélangeur 31 .
Dans une installation traditionnelle apte à fonctionner uniquement en oxycombustion avec recyclage des fumées de combustion, une baisse trop importante de la concentration en dioxygène dans le gaz comburant GC peut occasionner de manière préjudiciable un arrêt intempestif de l’oxycombustion.
Un tel arrêt intempestif peut avantageusement être évité au moyen du système de combustion de l’invention.
A cet effet, l’unité de commande 7 est de préférence conçue pour surveiller, au moyen du capteur 33, la concentration en dioxygène dans le gaz
comburant GC et lorsque la concentration en dioxygène diminue, pour détecter automatiquement si cette concentration en dioxygène atteint un seuil minimum critique prédéfini et de préférence paramétrable, et dans l’affirmative pour commander automatiquement le système de combustion, de manière à le faire basculer (tel que précédemment décrit) en toute sécurité en mode de fonctionnement M1 (« combustion classique »), sans stopper la combustion dans le dispositif de combustion 1 .
Système de combustion de la figure 1 / Captage de CO2
Dans la variante particulière de la figure 1 , mais de manière optionnelle, le système de combustion comporte avantageusement un dispositif 11 de captage du dioxyde de carbone (CO2) raccordé à la dérivation 6 et adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie des fumées de combustion recyclées sortantes (FC22/ Figure 4) circulant dans ladite dérivation 6.
Plus particulièrement, ce dispositif de captage 11 comporte un ventilateur ou compresseur 110 qui permet d’aspirer une partie de fumées de combustion recyclées sortantes (FC22/ Figure 4) circulant dans la dérivation 6 et d’alimenter une unité 111 de captage de CO2 (connue en soi).
De préférence, ce dispositif de captage 11 et en particulier le ventilateur ou compresseur 110, est commandé automatiquement (par l’unité de commande 7 au moyen du signal de commande C3) ou par une autre unité de commande) en fonction de la pression ou du débit des fumées de combustion sortantes circulant dans la dérivation 6, cette pression ou ce débit étant mesuré par un capteur 60 délivrant un signal de mesure Sœ.
D’autres exemples non exhaustifs de système de combustion conformes à l’invention et pouvant fonctionner dans les modes de fonctionnement M1 (« combustion classique ») et M2 (« combustion avec recyclage ») vont à présent être décrits.
Système de combustion des figures 5 à 8
Le système de combustion de la figure 5 se différencie de celui de la figure 1 en ce que le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le
circuit principal d’évacuation 5 est situé en amont du dispositif de traitement 8, entre la sortie 1a du dispositif de combustion 1 et l’entrée de ce dispositif de traitement 8, et en ce qu’un dispositif de traitement supplémentaire 8’ est monté sur la boucle de recyclage 40, de préférence en amont du ventilateur ou compresseur de recyclage VR, c’est-à-dire entre le ventilateur ou compresseur de recyclage VR et le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5.
En variante, le dispositif de traitement supplémentaire 8’ peut être monté sur la boucle de recyclage 40 en aval du ventilateur ou compresseur de recyclage VR.
Le dispositif de traitement 8 peut être adapté pour dépolluer les fumées de combustion non recyclées, avant leur évacuation dans l’air ambiant et de préférence pour capter un ou plusieurs polluants choisis parmi la liste suivante : particules fines, SOx, NOx, acides, métaux lourds, ammoniac, COV. Le dispositif de traitement 8’ est de préférence adapté pour au moins déshumidifier les fumées de combustion recyclées dans la boucle de recyclage 40 et comporte plus particulièrement au moins un condenseur ou plusieurs condenseurs en cascade.
Les explications données précédemment sur les modes de fonctionnement M1 et M2 et sur la commande par l’unité commande 7 du ventilateur ou compresseur de recyclage VR et de l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC sont transposables à cette variante de la figure 5.
En référence à la figure 6 et comme pour la variante de la figure 2, en mode de fonctionnement M1 (« combustion classique), le gaz comburant GC est constitué par l’air aspiré par la dérivation 6 (la vanne V1 étant fermée et le ventilateur ou compresseur de recyclage VR étant à l’arrêt) et les fumées de combustion FC sont dans leur intégralité traitées en passant dans le dispositif de traitement 8 et sont évacuées (FC’) dans l’air ambiant.
En référence à la figure 7 et de manière comparable à la variante de la figure 3, en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans la phase de fonctionnement « oxycombustion
dégradée », le ventilateur ou compresseur de recyclage VR fonctionne et la vanne V1 est ouverte ; une partie FCi des fumées de combustion FC est évacuée dans l’air ambiant après avoir été traitée (dispositif de traitement 8) et l’autre partie FC2 des fumées de combustion FC est recyclée dans la boucle de recyclage 40 jusqu’à l’entrée du mélangeur 31 en ayant été préalablement traitée dans le dispositif de traitement 8’. De l’air est également aspiré dans la dérivation 6 et alimente également le mélangeur 31. L’autre entrée du mélangeur 31 est alimentée en dioxygène provenant du gaz riche en dioxygène de la source 30 (vanne V1 ouverte) avec un débit donné (002).
En référence à la figure 8 et de manière comparable à la variante de la figure 4, en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans la phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée », le ventilateur ou compresseur de recyclage VR fonctionne et la vanne V1 est ouverte. Une partie FC1 des fumées de combustion FC est évacuée dans l’air ambiant après avoir été traitée (dispositif de traitement 8) et l’autre partie FC2 des fumées de combustion FC est recyclée dans la boucle de recyclage 40 et est traitée dans le dispositif de traitement 8’. Une entrée du mélangeur 31 est alimentée avec un débit 01 avec une partie FC21 des fumées de combustion recyclées FC2 et traitées, l’autre partie FC22 des fumées de combustion recyclées FC2 et traitées étant évacuée dans la dérivation 6 avec un débit 02.
L’autre entrée du mélangeur 31 est alimentée en dioxygène provenant du gaz riche en dioxygène de la source 30 (vanne V1 ouverte) avec un débit donné (0O2).
Système de combustion de la figure 9 - condenseur 34 en aval du mélangeur 31
Le système de combustion de la figure 9 se différencie de celui de la figure 1 en ce qu’un condenseur 34 a été ajouté. Ce condenseur 34 est alimenté en entrée par le mélangeur 31 et est raccordé en sortie au dispositif de combustion 1 et alimente le dispositif de combustion 1 avec le gaz comburant GC.
Dans cette variante, lorsque le système de combustion est en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage »), les fumées de combustion FC sont recyclées jusqu’au mélangeur 31 sans nécessairement avoir été déshumidifiées dans le dispositif de traitement 8, une déshumidification étant réalisée au moins par le condenseur 34.
Dans une autre variante, le condenseur 34 pourrait être monté en dérivation (« by-pass ») comme le dispositif de traitement 8 de la figure 12. Système de combustion de la figure 10
Le système de combustion de la figure 10 se différencie de celui de la figure 1 principalement en ce que l’unité de commande 7 est adaptée pour commander le ventilateur ou compresseur de recyclage VR) en fonction au moins du débit ou de la pression mesurée au moins par ledit capteur 60 (et non plus par le capteur 51 comme dans la variante de la figure 1 ) pendant au moins le mode de fonctionnement M2 avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
Plus la pression ou le débit mesuré par le capteur 60 est importante, et plus le débit des fumées de combustion recyclées FC2 dans la boucle de recyclage 40 est important
En particulier, l’unité de commande 7 commande automatiquement le ventilateur ou compresseur de recyclage VR, jusqu’à ce que le débit ou la pression mesuré par ce capteur 60 atteigne au moins une consigne de fonctionnement prédéfinie et de préférence paramétrable, et régule automatiquement le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR de manière à maintenir ladite pression ou ledit débit mesuré à cette consigne de fonctionnement ou au voisinage de cette consigne de fonctionnement.
Cette consigne de fonctionnement est fixée de telle sorte que le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR est inférieur au débit des fumées de combustion FC en sortie du dispositif de traitement 8 ou, en l’absence de dispositif de traitement 8, en sortie du dispositif de combustion 1 , de manière à recycler vers le mélangeur 31 au moins une partie FC2 des fumées de combustion, l’autre partie FC1 étant évacuée à l’air libre dans
l’atmosphère via la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5.
Les explications qui ont été données précédemment sur le fonctionnement du système de combustion de la figure 1 sont transposables au système de combustion de la figure 7.
Dans la variante particulière de la figure 10, mais de manière optionnelle, le système de combustion comporte avantageusement un dispositif 11’ de captage du dioxyde de carbone (CO2) raccordé à la partie aval 5b du circuit d’évacuation principal 5 et adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie des fumées de combustion sortantes FCi.
Plus particulièrement, ce dispositif de captage comporte un ventilateur ou compresseur 110 qui permet d’aspirer une partie de fumées de combustion FC circulant dans la partie aval 5b du circuit d’évacuation principal 5 et d’alimenter une unité 111 de captage de CO2 (connue en soi).
De préférence, ce dispositif de captage 11’, et en particulier le ventilateur ou compresseur 110, est commandé automatiquement (par l’unité de commande 7 ou par une autre unité de commande) en fonction de la pression ou du débit des fumées de combustion circulant dans la partie aval 5b du circuit d’évacuation principal 5, ladite pression ou ledit débit étant mesuré par le capteur 51 .
Système de combustion de la figure 11
Le système de combustion de la figure 11 se différencie de celui de la figure 10 en ce que de manière comparable à la figure 5, le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5 est situé en amont du dispositif de traitement 8, entre la sortie 1a du dispositif de combustion 1 et l’entrée de ce dispositif de traitement 8, et en ce qu’un dispositif de traitement supplémentaire 8’ est monté sur la boucle de recyclage 40, de préférence en amont du ventilateur ou compresseur de recyclage VR, c’est-à-dire entre le ventilateur ou compresseur de recyclage VR et le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’alimentation 5.
Système de combustion de la figure 12 - dispositif de traitement 8 en « by- pass »
Le système de combustion de la figure 12 se différencie de celui de la figure 1 en ce que le dispositif de traitement 8 est monté en dérivation (« by- pass ») sur le circuit d’évaluation principal.
Ce type de montage est de manière connue adapté pour les dispositifs de traitement 8, qui possèdent leur propre ventilateur ou compresseur, tel que par exemple celui décrit ultérieurement en référence à la figure 14. Les explications qui ont été données précédemment sur le fonctionnement du système de combustion de la figure 1 s’appliquent également à ce système de combustion de la figure 12.
Dans les variantes des figures 5, 9, 10, 11 , 13, le dispositif de traitement 8 ou 8’ peut également être monté en dérivation (« by-pass ») Système de combustion de la figure 13 - injection de CChau démarrage
Le système combustion de la figure 13 se différencie de celui de la figure 1 en ce qu’il comporte un dispositif 12 additionnel raccordé à une entrée du mélangeur 31 et permettant d’injecter du dioxyde de carbone (CO2) gazeux dans le mélangeur 31 pendant la phase transitoire « oxycombustion dégradée » lors du passage du deuxième mode de fonctionnement M2 en phase « oxycombustion dégradée » au deuxième mode de fonctionnement M2 en phase « oxycombustion améliorée », afin de raccourcir la durée de cette phase transitoire.
Ce dispositif 12 d’injection de CO2 comporte par exemple une source 120 de CO2 gazeux sous pression associée à une vanne ou électrovanne vanne 121 commandée par l’unité de commande 7 au moyen d’un signal de commande C4.
Ce dispositif 12 d’injection de CChpeut également être ajouté dans le système de combustion des figures 5, 9, 10, 11 , 12.
Exemple particulier de condenseur - Figure 14
On a représenté sur la figure 14, à titre uniquement d’exemple non limitatif de l’invention, un exemple préféré de condenseur pouvant être utilisé
comme condenseur dans le dispositif de traitement 8 ou 8’ d’un système de combustion de l’invention.
Ce condenseur comporte un échangeur 12, qui comprend une enceinte 120 contenant un bain 121 de liquide refroidissant L et des moyens d’injection 123, qui sont adaptés pour introduire le fluide gazeux F à déshumidifier (i.e. fumées de combustion) au-dessous de la surface du bain de liquide refroidissant L.
Le liquide refroidissant L peut être simplement de l’eau ou une solution aqueuse.
Ces moyens d’injection 123 peuvent plus particulièrement comporter un ventilateur ou compresseur 123f et un conduit d’injection 123a comportant une ouverture d’admission 123b, par exemple dans sa partie supérieure 123c. La partie inférieure 123d du conduit d’injection 123a est plongée dans le bain 121 de liquide refroidissant L et comporte une ouverture d’évacuation 123e immergée dans le bain 121 de liquide refroidissant L.
En fonctionnement, le ventilateur ou compresseur 123f permet d’aspirer le fluide gazeux F à déshumidifier et de l’introduire dans le conduit d’injection 123 par l’ouverture d’admission 123b. Ce fluide gazeux F s’échappe du conduit d’injection 123 par l’ouverture d’évacuation 123e, et est de ce fait introduit de manière forcée dans le bain 121 de liquide refroidissant L, au-dessous de la surface du bain 121 de liquide refroidissant L, remonte vers la surface du bain de liquide, s’échappe de l’enceinte 120 par l’ouverture d’évacuation 120a de l’enceinte 120 après avoir été déshumidifié sous la forme d’un gaz déshumidifié F’.
La température TL du liquide refroidissant L est toujours inférieure à la température TF du fluide gazeux F à l’entrée de l’échangeur 12 et est de préférence inférieure à la température de rosée (point de rosée) du fluide gazeux F.
On rappellera que l’humidité absolue (geau/ kgair sec] d’un gaz représente le nombre de grammes de vapeur d’eau présents dans un volume de gaz donné, rapporté à la masse de gaz sec de ce volume exprimé en
kilogramme. Sa valeur reste constante même si la température du gaz varie en restant toutefois supérieure au point de rosée du gaz.
Lors de leur passage à travers le bain 121 de liquide refroidissant L, le fluide gazeux F subit une condensation au contact du liquide refroidissant L, de sorte que l’humidité absolue du gaz F’, en sortie de l’échangeur 12 est inférieure à l’humidité absolue du fluide gazeux F à l'entrée de l’échangeur 12.
L’écart entre l’humidité absolue du gaz déshumidifié F’ et l’humidité absolue du fluide gazeux F entrant dépend notamment de l’écart entre la température TF du fluide gazeux F entrant et la température TL plus basse du liquide refroidissant L. Plus l’écart en température AT (AT = TF - TL) entre la température TF du fluide gazeux F entrant et la température TL du liquide refroidissant L est important, et plus l’humidité absolue du gaz déshumidifié F’ sera faible par rapport à l’humidité absolue du fluide gazeux F entrant.
Dans une autre variante, le ventilateur ou compresseur 123f peut être raccordé au conduit d’injection 123 et utilisé de manière à introduire le fluide gazeux F dans ce conduit d’injection 123 en les soufflant à travers l’ouverture d’admission 123b de ce conduit d’injection 123.
L’échangeur 12 peut plus particulièrement être couplé à une pompe à chaleur (non représentée) qui permet de renouveler le liquide L dans le bain en y prélevant des calories de manière à maintenir la température de ce liquide un niveau suffisamment bas.
Dans une autre variante de réalisation, le condenseur peut comporter plusieurs échangeurs 12 montés en cascade.
L’invention n’est pas limitée à la mise en œuvre d’un échangeur 12 du type de celui de la figure 14. Dans d’autres variantes de réalisation, l’échangeur 12 pour la condensation du fluide gazeux F peut par exemple être du type de celui décrit dans la demande de brevet internationale WO201 6/071648 ou dans la demande de brevet internationale W02020/030419 ou peut être un échangeur fonctionnant par pulvérisation du liquide refroidissant L au contact du fluide gazeux F.
L’invention n’est pas limitée à un échangeur fonctionnant avec un
liquide refroidissant mais peut être mise en œuvre avec tout autre type connu d’échangeur permettant une déshumidification d’un fluide gazeux.
Avantage de la mise en œuyre du gaz riche en dioxyqène combinée à un rebouclage d’au moins une partie des fumées de combustion
Dans le cas d’une combustion classique, pour une quantité Qd de combustible C à brûler par heure, on utilise un débit D d’air comburant à l’entrée du dispositif de combustion. Après la combustion, on rejette avec un débit X des fumées de combustion qui doivent être traitées en respectant les normes de rejet sur les poussières et les produits chimiques. Plus X est grand, plus le coût de traitement des fumées de combustion est important.
En combustion classique, le débit d’air D (D<X) à l’entrée du dispositif de combustion est défini en fonction du besoin en oxygène pour la combustion et de la gestion du dispositif de combustion (par exemple gestion de la flame dans le foyer de combustion).
En combustion classique, les fumées de combustion contiennent :
- du dioxyde d’azote (N2) avec quasiment le même débit massique que l’air comburant,
- du dioxyde de carbone (CO2) issu de la combustion,
- de l’eau issue de la combustion et le cas échéant de l’évaporation de l’eau pouvant être contenue dans le combustible (par exemple lorsque le combustible est constitué de déchets ou de charbon) et de l’eau issue de l’air comburant,
- du dioxygène (O2) qui n’a pas participé à la combustion
- de polluants qui dépendent du combustible utilisé et qui peuvent par exemple comporter des particules fines, des acides, Nox, SOx, des métaux lourds, de la dioxine, ...
Lorsque le système de combustion de l’invention fonctionne en « oxycombustion » tel que précédemment décrit [ajout du gaz riche en dioxygène contenant au moins 40% de O2 avec rebouclage d’une partie des fumées de combustion], le débit des fumées de combustion en sortie du dispositif de combustion qui ne sont pas recyclées et qui sont rejetées
directement dans l’atmosphère et/ou qui sont traitées (par exemple pour le captage de CO2) avant rejet dans l’atmosphère est avantageusement plus faible que le débit X susvisé.
Plus la fraction en O2 dans le gaz riche en dioxygène fourni par la source 30 est importante, et plus le débit des fumées de combustion qui ne sont pas recyclées et sont rejetées est faible
Par exemple, lorsque le gaz riche en dioxygène est du dioxygène pur, on peut en pratique recycler les fumées de combustion avec un débit de recyclage important pouvant atteindre 10/11 de X et rejeter le reste des fumées de combustion, avec un débit qui est avantageusement plus faible et qui peut être de l’ordre de 1/11 de X, soit directement dans l’atmosphère, soit en les traitant préalablement, par exemple afin de capter le CO2, avant rejet dans l’atmosphère et/ou en les dépolluant.
Dans une autre variante de réalisation de l’invention, le mélangeur 31 peut comporter une entrée d’air additionnelle et/ou le dispositif de combustion peut comporter une entrée d’air additionnelle permettant d’injecter de l’air additionnel dans la combustion en plus des fumées de combustion recyclées et en plus du gaz riche en dioxygène. Cela aura un effet simplement sur le coefficient susvisé valant 11 qui sera dans ce cas compris entre 1 et 11 en fonction du débit d’air additionnel injecté dans la combustion via ladite entrée d’air additionnelle.
Lorsque le gaz riche en dioxygène contient 90% de dioxygène, on peut en pratique recycler les fumées de combustion avec un débit de recyclage important pouvant atteindre 9/10 de X et rejeter le reste des fumées de combustion, avec un débit qui est avantageusement plus faible et qui peut être de l’ordre de 1/10 de X, soit directement dans l’atmosphère, soit en les traitant préalablement, par exemple afin de capter le CO2, avant rejet dans l’atmosphère et/ou en les dépolluant, etc.
Il convient de souligner que les contraintes sur la pollution du gaz comburant à l’entrée du dispositif de combustion sont moins importantes que les contraintes environnementales liées à la pollution des fumées de
combustion non recyclées et qui sont de plus en plus drastiques. Selon le cas, on peut donc ne pas traiter les fumées de combustion recyclées ou éventuellement réaliser un traitement des fumés de combustion recyclées avant leur entrée dans le mélangeur qui est « léger » et nettement moins coûteux qu’un traitement des fumées non recyclées. Le coût total de traitement des fumées de combustion peut donc avantageusement être abaissé de manière importante.
En contrepartie de cette baisse importante du coût de traitement des fumées de combustion, la production du gaz riche en dioxygène induit un coût de fonctionnement additionnel, qui en pratique augmente avec la fraction de O2 dans le gaz riche en dioxygène, mais qui reste en pratique nettement moins importante que le coût de traitement des fumées de combustion. Il revient donc à l’homme du métier d’adapter et de trouver un compromis au cas par cas entre le coût de production du gaz plus ou moins riche en dioxygène et le coût de traitement des fumées de combustion.
Dans le cadre de l’invention, le gaz riche en dioxygène contient au moins 40% de dioxygène (en dessous de ce seuil, la réduction du débit des fumées non recyclées est en pratique trop faible). De préférence, la fraction de dioxygène gazeux dans le gaz riche en dioxygène est d’au moins 80%, plus préférentiellement d’au moins 90%. Plus particulièrement le gaz riche en dioxygène est avantageusement du dioxygène gazeux pur ou quasi pur (au moins 99% de O2).
Claims
1. Système de combustion comportant un dispositif de combustion (1 ) permettant la combustion d’un combustible (C) au moyen d’au moins un gaz comburant (GC) et comportant une sortie (1a) par laquelle il rejette des fumées de combustion (FC), une unité d’alimentation (3) en gaz comburant (GC) qui est raccordée au dispositif de combustion (1 ) et permet d’alimenter le dispositif de combustion (1 ) en gaz comburant (GC), ladite unité d’alimentation (3) en gaz comburant (GC) comportant un mélangeur (31 ) et une source (30) de dioxygène gazeux qui fournit un gaz riche en dioxygène et qui est raccordée à une première entrée du mélangeur (31 ), un circuit principal d’évacuation (5) raccordé à la sortie (1a) du dispositif de combustion (1 ) et débouchant à l’air libre, des moyens de recyclage (4) qui comportent une boucle de recyclage (40) entre le circuit principal d’évacuation (5) et une deuxième entrée du mélangeur (31 ), au moins un ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) monté sur la boucle de recyclage (40) et adapté pour faire circuler un fluide gazeux dans la boucle de recyclage (40), en direction de la deuxième entrée du mélangeur (31 ), depuis un raccordement (40a) de la boucle de recyclage (40) avec le circuit principal d’évacuation (5), une dérivation (6) qui est raccordée à la boucle de recyclage (40) en aval du ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) et qui débouche à l’air libre de manière au moins à pouvoir alimenter le mélangeur (31 ) avec de l’air entrant dans la dérivation (6), et une unité de commande (7) adaptée pour commander au moins le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR).
2. Système de combustion selon la revendication 1 , comportant en outre au moins un capteur (51 ) qui est adapté pour au moins mesurer le débit ou la pression de fluide gazeux sortant dans la partie aval (5b) du circuit d’évacuation principal (5) située en aval du raccordement (40a) de la boucle de recyclage (40) avec le circuit principal d’évacuation (5) et qui
délivre un signal (S51) de mesure de pression ou débit traité par l’unité de commande (7).
3. Système de combustion selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre au moins un capteur (60) qui est adapté pour au moins mesurer le débit ou la pression de fluide gazeux sortant dans la dérivation (6), et qui délivre un signal (Seo) de mesure de pression ou débit traité par l’unité de commande (7).
4. Système de combustion selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l’unité de commande (7) est adaptée pour commander le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) en fonction au moins du débit ou de la pression mesurée par ledit capteur (51 ou 60) pendant au moins un mode de fonctionnement (M2) avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
5. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications revendication 1 à 4 , dans lequel l’unité de commande (7) est adaptée pour commander le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) de manière à pouvoir configurer le système de combustion dans un mode de fonctionnement choisi parmi au moins deux modes de fonctionnement différents (M1 ; M2) et à pouvoir passer d’un mode de fonctionnement à l’autre : un premier mode de fonctionnement (M1 ) dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) est à l’arrêt et le mélangeur (31 ) n’est pas alimenté en gaz riche en dioxygène en provenance de la source (3) de dioxygène gazeux et est alimenté par de l’air entrant dans la dérivation (6), et un deuxième mode de fonctionnement (M2), dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) fonctionne, et le mélangeur (31 ) est alimenté au moins avec du gaz riche en dioxygène fourni par la source (3) de dioxygène gazeux et avec au moins une partie (FC2 ou FC21) des fumées de combustion rejetées par le dispositif de combustion (1 ).
6. Système de combustion l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la source (30) de dioxygène gazeux est raccordée à ladite première entrée du mélangeur (31 ) via un dispositif (32) de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène qui est commandé par l’unité de commande (7), et de préférence qui comporte une vanne (V1 ) de contrôle de débit qui est commandée par l’unité de commande (7).
7. Système de combustion selon la revendication 6, dans lequel la vanne (V1 ) de contrôle de débit est une vanne à ouverture et fermeture progressives.
8. Système de combustion selon la revendication 6 ou 7, dans lequel l’unité de commande (7) est adaptée pour commander au moins le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR), et le cas échéant le dispositif (32) de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène, de manière à pouvoir passer d’un mode de fonctionnement (M1 ou M2) à l’autre (M2 ou M1 ) sans arrêter la combustion dans le dispositif de combustion (1 )
9. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comportant au moins un capteur (33) adapté pour mesurer la concentration en dioxygène dans le gaz comburant (GC) et dans lequel l’unité de commande (7) est adaptée pour commander le dispositif (32) de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène en fonction de la concentration en dioxygène mesurée par ce capteur (33) au moins pendant un mode de fonctionnement (M2) avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
10. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le dispositif de combustion (1 ) comporte un ventilateur ou compresseur (10) adapté pour alimenter le dispositif de combustion
(1 ) en gaz comburant (GC) avec un débit ( GC) donné, qui est de préférence variable.
11 . Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le débit d’alimentation du dispositif de combustion (1 ) en combustible (C) est variable et le dispositif de combustion (1 ) comporte un ventilateur ou compresseur (10) adapté pour alimenter le dispositif de combustion (1 ) en gaz comburant (GC) avec un débit ( GC) qui varie en fonction du débit d’alimentation du dispositif de combustion (1 ) en combustible (C).
12. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , comportant un dispositif (8) de traitement des fumées de combustion (FC) qui est monté sur le circuit d’évacuation principal (5).
13. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, comportant un dispositif (8’) de traitement des fumées de combustion recyclées (FC2) qui est monté sur la boucle de recyclage (40) de préférence entre le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) et le raccordement (40a) de la boucle de recyclage (40) avec le circuit principal d’évacuation (5).
14. Système de combustion selon la revendication 12 ou 13, dans lequel le dispositif de traitement (8 ou 8’) est adapté pour déshumidifier les fumées de combustion (FC ou FC2).
15. Système de combustion la revendication 14, dans lequel le dispositif de traitement (8 ou 8’) comporte un condenseur (34).
16. Système de combustion selon la revendication 15, dans lequel le condenseur comporte au moins un échangeur (120) comportant un liquide refroidissant (L).
17. Système de combustion selon la revendication 16, dans lequel l’échangeur (120) comporte un bain (121 ) de liquide refroidissant (L), et des moyens d’injection (123) permettant de faire passer le fluide gazeux (FC ou FC2) à déshumidifier à travers ce bain de liquide refroidissant (L), et de préférence dans lequel les moyens d’injection (123) permettent d’injecter le fluide gazeux (FC ou FC2) à déshumidifier au-dessous de la surface de ce bain (121 ) de liquide de refroidissant (L).
18. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 12 à 17, dans lequel le dispositif de traitement (8 ou 8’) est adapté pour dépolluer les fumées de combustion (FC ou FC2) et plus particulièrement pour capter un ou plusieurs polluants choisis parmi la liste suivante : particules fines, SOx, NOx, acides, métaux lourds, ammoniac, COV.
19. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 18, comportant au moins un capteur (33) adapté pour mesurer la concentration en dioxygène dans le gaz comburant (GC) et dans lequel l’unité de commande (7) est adaptée pour commander le dispositif (32) de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène et le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR), en fonction de la concentration mesurée en dioxygène dans le gaz comburant (GC), et de préférence de manière à passer d’un mode de fonctionnement (M2) avec recyclage d’au moins une partie (FC2 ou FC21) des fumées de combustion à un mode de fonctionnent (M1 ) sans recyclage des fumées de combustion.
20. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 19, comportant un dispositif (11 ) de captage du dioxyde de carbone (CO2), qui est raccordé à la dérivation (6) et qui est adapté pour capter
le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie des fumées de combustion recyclées sortantes (FC21) évacuées via ladite dérivation (6) et/ou comportant un dispositif (11’) de captage du dioxyde de carbone (CO2), qui est raccordé à la partie aval (5b) du circuit d’évacuation principal (5) située en aval du raccordement (40a) de la boucle de recyclage (40) avec le circuit principal d’évacuation (5) et qui est adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie (FC1) des fumées de combustion non recyclées sortantes évacuées via ladite partie aval (5b) du circuit d’évacuation principal (5).
21. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 20, dans lequel le gaz riche en dioxygène fourni par la source (30) de dioxygène gazeux comporte au moins 50% de dioxygène, de préférence au moins 80% de dioxygène, et plus préférentiellement encore au moins 90% de dioxygène.
22. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 20, dans lequel le gaz riche en dioxygène fourni par la source (30) de dioxygène gazeux est du dioxygène pur ou quasi pur.
23. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 22, comportant un dispositif (12) d’injection de dioxyde de carbone raccordé à une entrée du mélangeur (31 ) et adaptée pour d’injecter du dioxyde de carbone (CO2) gazeux dans le mélangeur (31 ) pendant une phase particulière (« oxycombustion dégradée ») du mode de fonctionnement (M2) avec recyclage des fumées de combustion.
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| FR3144645A1 (fr) | 2024-07-05 |
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