BE1028409B1 - Chambre de combustion sans flamme et appareil de production d'électricité ou de cogénération d'énergie associé - Google Patents

Chambre de combustion sans flamme et appareil de production d'électricité ou de cogénération d'énergie associé Download PDF

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Michel Delanaye
Alessandro Parente
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Abstract

Dispositif de combustion (100) pour un appareil de production d'électricité ou de cogénération d'énergie, caractérisé en ce que: - le tube de combustion (5) est fermé par un fond (12) à son autre extrémité, dite extrémité arrière, ledit fond (12) étant solidaire dudit tube de combustion (5); - les moyens d'évacuation de gaz de combustion comprennent au moins une ouverture (9) disposée à l'extrémité avant du tube de combustion (5), ladite ouverture (9) étant délimitée par une paroi longitudinale tubulaire du tube de combustion (5) et la paroi de fermeture (14), de sorte à permettre l'écoulement des gaz de combustion entre ladite paroi longitudinale et le tube externe (26).

Description

CHAMBRE DE COMBUSTION SANS FLAMME ET APPAREIL DE PRODUCTION D’ELECTRICITE OU DE COGENERATION D'ÉNERGIE
ASSOCIÉ Objet de l’invention
[0001] La présente invention a trait à un dispositif de combustion et à un appareil de production d'électricité ou de cogénération d'énergie comprenant ledit dispositif. On entend par dispositif de combustion un dispositif comportant une ou plusieurs chambres ou sous-chambres de combustion.
[0002] En particulier, l'invention se rapporte à un système de combustion en régime « sans flamme » fonctionnant par exemple avec un carburant gazeux couplé à un récupérateur de chaleur et intégré dans une micro- turbine à gaz fonctionnant au gaz naturel.
Arrière-plan technologique et état de la technique
[0003] Il est connu qu'une chambre combustion alimentant une turbine fonctionnant dans le régime dit d’oxydation “sans flamme” (ou “flameless” ou FLOX®) permette d'atteindre des émissions de NOx extrêmement faibles, par exemple <10 ppm.
[0004] La combustion sans flamme, dite «MILD combustion » (acronyme pour Moderate or Intense Low-oxygen Dilution, ou dilution à faible teneur en oxygène, modérée ou intense), est un mode de combustion capable de fournir une efficacité de combustion élevée avec de très faibles émissions de polluants, et ce même avec un préchauffage élevé de l'air. En plus du rendement énergétique amélioré associé au processus de récupération de chaleur, la combustion MILD assure ainsi un environnement de combustion homogène, conséquence de la recirculation intense des gaz d'échappement. Cela se traduit par une réduction localisée du niveau d'O2, conduisant à une zone de réaction répartie et à une réduction des températures de travail par rapport à la combustion à flamme classique. Les niveaux de température réduits et l'environnement réactif homogène ont des effets positifs sur la formation de polluants (NOx, suie), qui sont considérablement réduits, et sur la résistance des matériaux, grâce à l'absence de forts gradients de température. La combustion MILD assure une grande flexibilité du carburant, ce qui en fait une technologie Ideale pour les carburants suivants : les carburants à faible pouvoir calorifique, les déchets industriels à haut pouvoir calorifique, les combustibles à base d'hydrogène, les carburants liquides (par ex. kérosène, essence, diesel, fuel) et les carburants solides.
[0005] Du point de vue des interactions turbulence-chimie, la combustion MILD est caractérisée par un fort couplage entre les échelles de la dynamique chimique et de la dynamique des fluides. Le nombre de Damköhler Da (ratio entre temps caractéristique de la dynamique des fluides et temps des réactions chimiques) en MILD est de l’ordre de l’unité, indiquant que le temps des réactions chimiques n’est pas négligeable par rapport aux temps gouvernant la dynamique des fluides.
[0006] En combustion conventionnelle, le processus global est contrôlé par le transfert de chaleur et de masse, ce qui conduit à une région de réaction bien définie avec de forts gradients de température et d'espèces et des valeurs de Da supérieures à l'unité. Dans une combustion sans flamme, la recirculation des gaz d'échappement (aussi appelés gaz de combustion) conduit donc à une distribution plus homogène de la température et des espèces.
[0007] De manière générale, la combustion sans flamme est très stable et silencieuse et pourrait donc être utilisée pour des applications avec des turbines à gaz, où les opérations classiques peuvent entraîner des instabilités thermo-acoustiques ("bourdonnements") et des contraintes importantes.
[0008] On connaît des conceptions de chambre de combustion sans flamme pour des applications de (micro-)turbine à gaz. Dans une application de micro-turbine à gaz, la température des fumées en sortie de chambre de combustion est limitée par la tolérance du matériau utilisé pour fabriquer la turbine, typiquement de 800°C à 1050°C, et en particulier de 950°C à 1050°C. Cette condition induit l’usage d’un excès d'air très important par rapport à la quantité stœchiométrique d’air nécessaire à brûler le fuel.
[0009] Dans les applications concernées par la présente invention, le ratio lambda (débit massique d'air/débit massique d'air stoechiométrique ou 1 + excès d'air) pourrait être très élevé (significativement plus grand que 1) afin de permettre la diminution de température des gaz compatible avec l’entrée de la turbine. Il en résulte une grande quantité d’O» disponible pour la combustion, ce qui semble antagoniste avec les conditions idéales de mise en œuvre du régime de combustion sans flamme qui dépend principalement de la dilution d’O2 dans le mélange.
[0010] Par ailleurs, une autre condition favorable à l'apparition du régime de combustion sans flamme concerne le préchauffage de l'air comburant à une température suffisante afin d'assurer un auto-allumage aisé du mélange. L'utilisation d'un récupérateur de chaleur présent dans le cycle de la turbine à gaz avec régénération est avantageuse pour assurer cette fonctionnalité.
[0011] De nombreuses conceptions de chambres de combustion permettant d’opérer dans un régime sans flamme ont été proposées. On peut citer par exemple la chambre de combustion pour turbine à gaz décrite dans le document WO 2003/091626. Cette chambre est configurée de sorte à présenter un tube guide interne ouvert à ses deux extrémités et qui permet d'assurer la recirculation d'une partie importante des gaz de combustion dans la chambre, l’autre partie des gaz étant évacuée en aval de la chambre. Cette recirculation permet de maintenir un régime d’oxydation sans flamme dans la chambre. Ces solutions connues permettent certes d’avoir des niveaux NOx faibles, mais elles ne sont pas conçues pour atteindre des niveaux de CO faible.
But de l’invention
[0012] L’invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients de l’état de la technique susmentionné, en particulier que les gaz d'échappement en sortie du dispositif de combustion ont non seulement des niveaux de NOx faible (par exemple < 10 mg/kWh! de préférence < 5 mg/kWh) mais aussi de CO faible (par exemple < 10 mg/kWh).
[0013] Plus particulièrement, l'invention a pour but de fournir un dispositif de combustion stable et très efficace en rendement, configuré pour produire des gaz de combustion (échappement) compatibles avec une temperature d'entrée comprise entre 800° et 1050 C°, en particulier entre 950° et 1050 C° tout en maintenant des niveaux de NOx et CO faibles comme ceux mentionnés ci-dessus.
[0014] L’invention a encore plus particulièrement pour but une conception de dispositif de combustion permettant de prendre en compte de grandes valeurs de lambda (excès d'air) tout en permettant apparition de la combustion sans flamme.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention
[0015] La présente invention se rapporte à un dispositif de combustion pour un appareil de production d'électricité ou de cogénération d'énergie, ledit appareil comprenant une turbine à gaz, en particulier une micro- turbine à gaz, alimentée par ledit dispositif, ledit dispositif étant adapté pour un régime de combustion du type « sans flamme », et comprenant : - un tube externe ; - un tube de combustion, formant une zone de combustion adaptée pour la combustion d’un mélange d'air comburant et de carburant, ledit tube de combustion étant concentrique avec le tube externe ; - des moyens d'injection de carburant comportant au moins un premier orifice, dit orifice d'injection de carburant, disposé à une extrémité avant du tube de combustion ; * mg/kKWh à 0% d’O2. kWh = énergie injectée sur base du PCI du fuel
- des moyens d’injection d’air comportant au moins un second orifice, dit orifice d'injection d'air, disposé également à l’extremite avant du tube de combustion ; - des moyens d’évacuation des gaz de combustion ; 5 - une paroi de fermeture couvrant l'extrémité avant du tube de combustion et connectée aux moyens d’injection d'air et de carburant ; caractérisé en ce que : - le tube de combustion est fermé par un fond à son autre extrémité, dite extrémité arrière, ledit fond étant solidaire dudit tube de combustion ; - les moyens d'évacuation de gaz de combustion comprennent au moins une ouverture disposée à l'extrémité avant du tube de combustion, ladite ouverture étant délimitée par une paroi longitudinale tubulaire du tube de combustion et la paroi de fermeture, de sorte à permettre l'écoulement des gaz de combustion entre ladite paroi longitudinale et le tube externe.
[0016] Selon des modes d'exécution avantageux de l'invention, le dispositif de combustion comprend une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes, selon toute combinaison possible : - le dispositif de combustion comprend en outre une chemise tubulaire disposée concentriquement entre le tube de combustion et le tube externe, connectée à la paroi de fermeture et positionnée en vis-à-vis de l'ouverture des moyens d'évacuation, pour former une zone annulaire, dite zone de recombinaison, permettant de prolonger le temps de séjour des gaz de combustion s'échappant par l'ouverture ; - le tube externe délimite au moins en partie avec le tube de combustion un passage annulaire, dit by-pass, permettant le passage d’un flux d'air de dilution apte à se mélanger avec les gaz de combustion en aval de la zone de combustion ; - le tube externe délimite au moins en partie avec la chemise tubulaire un passage annulaire, dit by-pass, permettant le passage d’un flux d'air de dilution apte à se mélanger avec les gaz de combustion en aval de la zone de recombinaison ;
- la chemise tubulaire s'étend axialement sur au moins 50% de la longueur du tube de combustion ;
- le dispositif de combustion comprend un plénum de forme cylindrique formé en partie par une portion du turbe externe et par la paroi de fermeture, ladite portion étant disposée à une extrémité avant du tube externe, ladite paroi de fermeture formant un fond dudit plenum ;
- la paroi de fermeture comprend en outre une ou plusieurs ouvertures, dites ouvertures de by-pass, aménagées dans sa périphérie et par lesquelles le flux d'air de dilution entre dans le by-pass ;
- le plénum est connecté fluidiquement à un conduit d'alimentation d'air ;
- l'ouverture des moyens d’évacuation de gaz de combustion est une ouverture annulaire formée entre la paroi de fermeture et le bord avant du tube de combustion ;
- l’orifice d'injection de carburant est un orifice centré par rapport au tube de combustion ;
- les moyens d'injection de carburant comportent une tête d’injection dans laquelle l’orifice d'injection de carburant est formé ;
- les moyens d'injection de carburant comportent un tube d'injection de carburant dont l’extrémité arrière est solidaire de la tête d'injection ;
- le conduit d'alimentation d'air et le tube d'injection de carburant sont sur une partie de leur longueurs respectives, disposés de manière coaxiale ;
- l’orifice d’injection d’air est constitué de plusieurs orifices disposés dans la paroi de fermeture ;
- l’orifice d'injection d'air encercle l’orifice d'injection de carburant ;
- les moyens d'injection d’air comportent un anneau d'injection fixé à la paroi de fermeture ;
- l'anneau d'injection comporte une surface interne guidant un flux d'air entrant dans la zone de combustion ;
- les moyens d'injection d’air comportent en outre un élément de guidage disposé au centre de l'anneau d'injection ;
- élément de guidage comporte une surface externe guidant le flux d'air entrant dans la zone de combustion, une portion de ladite surface externe étant de forme sensiblement conique ;
- élément de guidage et l’anneau d'injection sont reliées par un ou plusieurs bras profilés ; - l’élément de guidage coïncide avec la tête d’injection de carburant ; - le dispositif de combustion comporte un tube conique convergent solidaire du tube externe pour l'évacuation des gaz de combustion ; - le fond fermant le tube de combustion est étanche.
[0017] La présente invention se rapporte également à un appareil de production d'électricité ou de cogénération d'énergie comportant un dispositif de combustion tel que décrit ci-dessus.
[0018] Avantageusement, appareil de production d’électricité ou de cogénération d'énergie comprend un échangeur de chaleur permettant de récupérer l'énergie thermique des gaz de combustion produite dans le dispositif de combustion, pour préchauffer lair d'admission alimentant le dispositif de combustion.
[0019] De préférence, l'échangeur de chaleur comprend un premier circuit en communication fluidique avec une section aval d'une turbine, en particulier une micro-turbine, et un deuxième circuit en communication fluidique avec une section amont du dispositif de combustion.
[0020] Selon la présente invention, le ratio lambda peut atteindre des valeurs aussi élevées que 6-8, ce qui permet une diminution de température suffisante des gaz d'échappement compatible avec l'entrée dans la turbine. L’antagonisme apparent avec la nécessité d’un régime de combustion sans flamme est résolu par la géométrie optimalisée de la chambre de combustion qui permet une dilution efficace de l’oxygène dans le mélange.
[0021] De manière générale, les modes avantageux de chaque objet de l'invention sont également applicables aux autres objets de l'invention. Dans la mesure du possible, chaque objet de l'invention est combinable aux autres objets. Les objets de l'invention sont également combinables aux modes de réalisation de la description, qui en plus sont combinables entre eux.
[0022] Les caractéristiques propres à l'invention sont avantageuses en ce qu’elles permettent d’avoir un dispositif de combustion compatible avec l’utilisation de différents carburants tels que gaz naturel, biogaz, gaz d'origine synthétique (syngaz, etc.), etc. En outre, la combustion sans flamme est stable. Description brève des fiqures
[0023] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l’aide des dessins et de la description ci-après.
[0024] La figure 1 montre une vue en perspective (externe) d’un dispositif de combustion sans flamme selon l'invention.
[0025] La figure 2 représente une vue tridimensionnelle en coupe longitudinale du dispositif de combustion sans flamme selon l'invention.
[0026] La figure 3 montre une vue tridimensionnelle en coupe transversale du dispositif de combustion sans flamme selon l'invention, prise au niveau du plénum.
[0027] La figure 4 montre deux vues en perspective des orifices d'injection de carburant et d'air du dispositif de combustion sans flamme selon l'invention.
[0028] La figure 5 est une représentation schématique en coupe longitudinale du dispositif de combustion sans flamme selon l'invention, dans laquelle les écoulements sont représentés par des flèches.
[0029] La figure 6 est une représentation schématique de l’appareil de cogénération d’énergie (sous forme de cycle) selon l'invention.
[0030] La figure 7 est un diagramme de distribution en coupe longitudinale du champ de température.
[0031] La figure 8 est un diagramme de distribution en coupe longitudinale du champ de vitesse.
[0032] La figure 9 est un diagramme de distribution en coupe longitudinale du champ de CO.
[0033] La figure 10 est un diagramme de distribution en coupe longitudinale du champ de OH.
Description de modes d'exécution préférés de l’invention
[0034] Un mode d’exécution du dispositif de combustion proposé dans la présente invention a été conçu spécifiquement afin de prendre en compte de grandes valeurs de lambda tout en permettant l'apparition de la combustion sans flamme. Description de la chambre de combustion
[0035] Les figures 1 à 5 montrent un mode de réalisation pour un dispositif de combustion 100 sans flamme qui reçoit de [air préchauffé provenant d’un récupérateur de chaleur (105, voir figure 6) relié à une turbine, par exemple une micro-turbine, par l'intermédiaire d’un conduit d'alimentation d'air de dimensions et de forme appropriées, typiquement cylindrique, afin de réduire les pertes de charges.
[0036] Le conduit d'alimentation en air peut comporter un conduit 21 d'amenée d'air et un conduit d'adaptation 10 permettant la jonction entre ce conduit d’'amenée d'air 21 et une première extrémité du dispositif de combustion
100. Habituellement, le conduit d'adaptation 10 comprend à une extrémité une bride 22 de serrage, en particulier une bride en V, assurant la fixation du conduit d'amenée d'air 21 au conduit d'adaptation 10. Le conduit d’adaptation 10 peut comporter à son autre extrémité une bride dite principale 23, qui peut être soudée à un tube de liaison. Le conduit d'adaptation 10 permet l’accès à l’intérieur du dispositif de combustion comme illustré sur la figure 2.
[0037] A son autre extrémité, le dispositif de combustion 100 peut être connecté à une volute de la turbine (non représenté) par l'intermédiaire d’un tube conique 24 soudé à un tube externe 26 de la chambre de combustion 100. Une bride de serrage en V 25 peut permettre la jonction avec la volute de la turbine.
[0038] Comme illustré sur la figure 2, le dispositif de combustion peut comprendre des raidisseurs 27 soudés sur le tube externe 26, les raidisseurs 27 assurant la rigidité dudit dispositif 100.
[0039] La figure 2 montre aussi que l’alumage du dispositif de combustion 100 peut être assuré par une bougie chauffante 28. La bougie 28 traverse le tube externe 26, une chemise tubulaire 7 et un tube de combustion 5, afin de pénétrer dans une zone idéale pour l’allumage du mélange. Cette zone est située de préférence à une distance d'orifices 36 de moyens d'injection d'air équivalente au diamètre moyen défini par une surface interne 31 d’un anneau d'injection 40. De surcroît, cette zone est située de préférence à une distance de l’axe central du tube de combustion 5 d’environ % du diamètre moyen défini par la surface interne 31 de l’anneau d'injection 40.
[0040] Le dispositif de combustion 100 peut comprendre un thermocouple 29, de préférence de type K, pénétrant également au cœur du dispositif de combustion 100 afin de mesurer la température de la zone de combustion 4. Il sert de dispositif de sécurité afin d’éviter l'occurrence de températures trop élevées à l’intérieur du tube de combustion 5.
[0041] Le dispositif de combustion 100 comprend des moyens d'injection de carburant comportant un tube 20 traversant le conduit 21 d'admission d'air. Ce tube 20 peut être fixé, de préférence soudé, à une tête d'injection de carburant 33. Ce tube 20 permet l’apport du carburant jusqu’à la tête d'injection 33.
[0042] Conformément à l’invention, on utilise une technique de division/séparation du flux d’entrée d'air en deux flux distincts d'air, un flux primaire utilisé pour la combustion et un flux secondaire utilisé pour le refroidissement du mélange. Ainsi, la figure 3 montre que le dispositif de combustion 100 peut comporter un plénum 1 servant à diviser le flux d'air en deux flux : un flux primaire et un flux secondaire. Le flux d’air primaire peut être injecté dans le tube de combustion 5 par le biais des orifices 36 des moyens d'injection d'air. Le flux d’air secondaire passe par le by-pass 6 et se mélange avec le flux primaire en aval (figure 5).
[0043] Le by-pass 6 permet le passage du flux secondaire vers la zone aval de mélange. Le by-pass 6 peut comporter des ouvertures 39, par exemple des encoches, dont la surface permet le réglage du ratio entre le flux primaire et le flux secondaire. Typiquement, ce ratio est égal à 1 afin d'atteindre un lambda maximum de 4 au sein de la zone de combustion 4.
[0044] La figure 4 illustre plus précisément la façon dont les moyens d'injection d’air et de carburant peuvent être combinés. Dans cette configuration, les moyens d'injection d’air comprennent l’anneau d'injection 40 présentant une surface interne 31 de forme sensiblement conique. Selon ce mode avantageux de réalisation, la face de l’anneau d'injection 40 orientée vers le tube de combustion 5 présente un épaulement 34 afin de faciliter l'emboîtement dans une paroi de fermeture 14, par exemple une plaque, du tube de combustion 5. La tête d'injection de carburant 33 peut présenter une surface externe 41 de forme conique s'étendant sur la majorité de sa longueur. La tête d'injection de carburant 33 peut être maintenue au centre de l'anneau d'injection 40 par des bras profilés 30 reliés à l’anneau d’injection 40. La surface externe 41 de la tête d'injection 33 de carburant peut délimiter au moins en partie la surface externe des orifices 36 d'injection d’air. Le profilage des bras 30 permet de réduire la perte de charge produite par l'écoulement de l’air dans les orifices 36 d'injection d’air. La surface interne conique 31 présente un angle tel que le flux d'air primaire converge vers la zone de combustion. Les angles de la surface interne 31 de l'anneau d'injection 40 et de la surface externe 41 de la tête d'injection 33 assurent la formation de conduits dont la section est convergente en direction de la zone de combustion
4. Le tube d'injection de carburant 20 est soudé à la tête d'injection 33 au niveau d'un évidement ou épaulement 32 formé dans cette dernière, afin d'assurer une liaison étanche. Le carburant, de préférence du gaz, est éjecté par l’orifice d'injection 35. De préférence, les moyens pour une injection combinée (c'est-à- dire air et carburant) peuvent être fabriqués par un procédé d’impression 3D additive (par ex. DMLM, acronyme pour Direct Metal Laser Melting, ou fusion directe du métal par laser) en matériau réfractaire, par exemple des alliages à base nickel ou cobalt ou des aciers réfractaires. Alternativement, d’autres procédés sont possibles tels que l’usinage, MIM (acronyme pour Metal Injection Moulding, ou moulage par injection de poudre), etc.
[0045] Comme illustré sur la figure 4, l’air et le carburant sont respectivement injectés via les orifices d’air 36 et de carburant 35 dans le tube de combustion 5. Celui-ci présente une forme cylindrique fermée à son extrémité par un fond 12. Pour obtenir un régime de combustion sans flamme, la vitesse du flux d'air doit être comprise entre 60 et 120 m/s. Les gaz de combustion s’échappent de la zone de recombinaison 4 par une ou plusieurs ouvertures 9, par exemple une fente. Une partie du fluide recircule cependant dans la zone de combustion. Le taux de recirculation calculé sur base de la formule mE/(MA + MF) supérieur à 1,3, où ME, MA et MF représentent respectivement les débits massiques des gaz brûlés et recirculés dans la zone de combustion 4, d'air et de fuel introduits dans la zone de combustion 4. C’est notamment cette recirculation importante des gaz qui permet la dilution de l'oxygène et du fuel et qui conduit à l’apparition du régime de combustion sans flamme. La dimension des ouvertures 9 permet de contrôler le niveau de recirculation. Des pièces métalliques 37, 38 (voir figure 2) peuvent être utilisées pour assurer le positionnement du tube de combustion 5 dans le tube externe 26 tout en fixant la section de passage des ouvertures 9 (dans l'exemple représenté une fente 9). Une des pièces 37, 38 peut être soudée au tube externe 26 et ainsi permettre au tube de combustion 5 de se dilater librement.
[0046] Il est apparu aux inventeurs, d’abord expérimentalement puis par vérification numérique, que l'ajout d’une chemise 7 permet de fortement réduire le taux de CO dans les gaz de combustion en aval du dispositif de combustion 100, et ce lorsque le dispositif de combustion 100 comprend également un by-pass 6. La chemise 7 est une tube ouvert concentrique avec le tube de combustion 5. Cette chemise 7 permet d'éviter un mélange trop rapide entre le flux primaire et le flux secondaire. Ainsi la température du flux primaire reste élevée et la réaction de recombinaison du CO en CO: peut se poursuivre plus loin dans la zone 8 dit de recombinaison. La concentration en CO dans les gaz de combustion peut être ainsi réduite par un facteur d’environ 10. La longueur de la chemise 7 impacte donc la recombinaison du CO et peut avantageusement être optimisée par calcul. En tout état de cause, elle en général au minium de 50 % de la longueur du tube de combustion 5. De préférence, la chemise 7 est fixée à la paroi de fermeture 14.
[0047] Le tube de combustion 5 subit des températures extrêmes de l’ordre de 1050°C à 1150°C. Différents alliages métalliques sont utilisables pour les tubes radiatifs en traitement thermique tels que 602CA®, 310S, Inconel® 625,
et de préférence l'alliage fer ferritique-chrome-aluminium Kanthal® APM. Il est à noter que le tube de combustion 5 peut présenter également un fond hémisphérique ou une autre forme permettant d’améliorer la recirculation des gaz et la perte de charge dans le dispositif de combustion.
[0048] Les autres pièces du dispositif de combustion 100 dont par exemple le tube externe 26, la conduite d'adaptation 10, les brides 22, 23 et la chemise 7 peuvent être en acier 310S. Le matériau doit permettre, comme pour tout autre dispositif de combustion, l'installation d’une couche de protection contre l’oxydation et la corrosion à haute température. Les tubes de combustion 5etexterne 26, ainsi que la chemise 7 sont de préférence de forme cylindrique. Description de l'appareil de production d’électricité ou de cogénération d'énergie
[0049] Le dispositif de combustion 100 sans flamme peut être associé à une application à micro-turbine et notamment destiné à la production d'électricité ou de chaleur en cogénération. L'appareil de production d'électricité ou de cogénération peut comprendre plusieurs éléments modulaires (voir figure 6). L'appareil comprend au moins un turbogénérateur et un dispositif de combustion 100 qui sont combinés avec un ou plusieurs éléments suivants : un récupérateur de chaleur 105, un système d'électronique de puissance (non représenté), un échangeur de chaleur gaz-eau (ou air-eau) 103, un ensemble d'auxiliaires (non représenté).
[0050] Le turbogénérateur comporte un compresseur 101, une turbine 104, par exemple une micro-turbine, un générateur électrique 102 de préférence à aimant permanent, l’ensemble fixé sur un même arbre. De préférence, les paliers de l'arbre peuvent comporter deux roulements aérodynamiques radiaux ne necessitant aucune lubrification à base d’un lubrifiant liquide ou solide tel que de l'huile. De surcroît, le turbogénérateur peut comporter un roulement aérodynamique axial destiné à compenser la force axiale du couple compresseur-turbine. Le générateur électrique 102 peut être positionné à l’avant du compresseur 101 en porte-à-faux (non représenté). Cette configuration permet d’obtenir un arbre très compact. Le stator électrique est alors fixé à la volute du compresseur. Un espace suffisant entre le générateur électrique et le stator permet enfin l'aspiration de lair par le compresseur 101.
[0051] Le récupérateur de chaleur 105 peut comprendre un échangeur de chaleur destiné à récupérer l’énergie utile présente dans les gaz d'échappement de la turbine 104 afin de préchauffer l’air comprimé par le compresseur 101, qui alimentera le dispositif de combustion 100.
[0052] Le système d'électronique de puissance (non représenté) peut être configuré de telle sorte qu'il permette la conversion de courant alternatif à haute fréquence produit par le générateur 102 (moteur à courant alternatif synchrone, en particulier à aimant permanent) en courant continu afin qu’il soit injecté sur le réseau électrique par l'intermédiaire d’un onduleur, par exemple du type de ceux utilisés pour les applications solaires.
[0053] Un échangeur de chaleur 103 gaz-eau (ou air-eau) peut être placé en sortie de l’appareil de cogénération afin de récupérer l'énergie des gaz d'échappement pour chauffer de l'eau ou produire de la vapeur en mode cogénération. Plusieurs échangeurs peuvent être utilisés. De surcroît, chaque échangeur de chaleur gaz-eau peut être positionné à d’autres endroits de l'appareil de cogénération nécessitant un refroidissement.
[0054] L'ensemble d'auxiliaires assure la fonction de compression et de régulation du flux du carburant par exemple gazeux pour l'injection dans le dispositif de combustion 100 ainsi que des systèmes pour le refroidissement par eau du stator électrique et éventuellement du support des paliers aérodynamiques.
[0055] On entend par micro-turbine, une turbine d’une puissance de 5 kW à 750kW, de préférence de 25 à 500kW. Typiquement, ces turbines sont montées sur des moteurs à combustion à piston pour assurer leur suralimentation. … Résultats de simulation
[0056] Les résultats de simulation sont présentés aux figures 7, 8, 9 et 10. Celles-ci ont été réalisées avec le logiciel ANSYS 2020 R1. L'approche consiste à résoudre les équations de Navier-Stokes (RANS) axisymétrique en prenant l'hypothèse d’un écoulement incompressible stationnaire. La modélisation numérique utilise un solveur incompressible de type Pressure Based, équipés d’un modèle de turbulence adéquat (par exemple standard k-e avec la première constante C1: égale à 1.6), un modèle de radiation (Discrete Ordinate Method),
une modèle d’interaction de la turbulence avec les équations de convexion- diffusion des espèces chimiques spécifiquement adapté à la combustion sans flamme (Eddy Dissipation Concept couplé au modèle Partially Stirred Reactor model, PaSR) et un modèle de gaz réactif (par exemple KEE58, GRI 2.11, etc.).
Les simulations sont réalisées à [issue d’une étude de convergence en maillage permettant de démontrer que la qualité des résultats devient suffisamment indépendante du maillage utilisé.
[0057] La simulation du champ de température (figure 7) montre que la température maximale atteinte ne dépasse pas 1380°C, ce qui est largement inférieur au seuil déclenchant la production de NOx. La zone de combustion est cantonnée dans le fond du tube de combustion et relativement dispersée comme en témoigne la figure 10 présentant la distribution des radicaux OH. Par ailleurs, la concentration en CO très importante dans la zone de combustion se réduit très fortement sous l'effet de la recombinaison du CO en CO2 (figure 9). Les valeurs d'émissions prédites en l'espèce sont : NOx = 1,43 ppm; CO = 0,50 ppm.
[0058] Un banc d'essai a été mis en place en parallèle afin de mesurer les performances de la chambre de combustion sans flamme selon la présente invention. Celui-ci est équipé d’un réchauffeur d’air électrique de 30kW permettant d’assurer le préchauffage de l’air en entrée de la chambre de combustion. Les mesures d'émissions sont réalisées à l’aide d’un Testo 350, celui-ci permet des mesures de CO (0-10000ppm) et NO de (0-4000ppm). Le débit d’air est mesuré à l’aide d’un débimètre volumétrique de marque GasView avec +3% d'erreur de précision à fond d'échelle. Le débit de gaz est ajusté avec un contrôleur de débit de type Elflow présentant une précision à fond d'échelle de +0.5%. Les résultats principaux de mesure sont résumés dans le tableau 1.
Mesures mg/kWh à 0% O2 (9 Tableau 1 : Mesure des émissions (1) Débit d’air 25g/s, température de l’air 650°C (2) Test de gas selon EN 437
Liste des symboles de référence
1 Plénum
2 Injecteur
4 Zone de combustion
Tube de combustion
6 By-pass
7 Chemise
8 Zone de recombinaison
9 Ouverture(s), fente
Conduit d’alimentation d'air, conduit d'adaptation
12 Fond
14 Paroi de fermeture, plaque
Tube d'injection de carburant
21 Conduit d'alimentation d’air, conduit d’amenée d'air
22 Bride
23 Bride principale
24 Tube conique
Bride
26 Tube externe
27 Raidisseur(s)
28 Bougie
29 Thermocouple
Bras profilés
31 Surface interne de l’anneau d'injection
32 Evidement
33 Tête d'injection, élément de guidage
34 Epaulement Orifice d’injection de carburant 36 Orifice d’injection d'air 37 Pièce métallique de positionnement 38 Pièce métallique de positionnement 39 Ouverture(s) de by-pass, encoches 40 Anneau d'injection 41 Surface externe de [élément de guidage 100 Dispositif de combustion 101 Compresseur 102 Générateur d'électricité 103 Echangeur de chaleur 104 Turbine 105 Récupérateur de chaleur (échangeur pour préchauffage)

Claims (26)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de combustion (100) pour un appareil de production d’électricité ou de cogénération d'énergie, ledit appareil comprenant une turbine à gaz, en particulier une micro-turbine à gaz, alimentée par ledit dispositif, ledit dispositif étant adapté pour un régime de combustion du type « sans flamme », et comprenant : - un tube externe (26) ; - un tube de combustion (5), formant une zone de combustion (4) adaptée pour la combustion d’un mélange d'air comburant et de carburant, ledit tube de combustion (5) étant concentrique avec le tube externe (26) ; - des moyens d'injection de carburant comportant au moins un premier orifice (35), dit orifice d'injection de carburant, disposé à une extrémité avant du tube de combustion (5) ; - des moyens d'injection d’air comportant au moins un second orifice (36), dit orifice d’injection d’air, disposé également à l'extrémité avant du tube de combustion (5) ; - des moyens d'évacuation des gaz de combustion ; - une paroi de fermeture (14) couvrant l'extrémité avant du tube de combustion (5) et connectée aux moyens d'injection d’air et de carburant ; caractérisé en ce que : - le tube de combustion (5) est fermé par un fond (12) à son autre extrémité, dite extrémité arrière, ledit fond (12) étant solidaire dudit tube de combustion (5) ; - les moyens d'évacuation de gaz de combustion comprennent au moins une ouverture (9) disposée à l’extrémité avant du tube de combustion (5), ladite ouverture (9) étant délimitée par une paroi longitudinale tubulaire du tube de combustion (5) et la paroi de fermeture (14), de sorte à permettre l'écoulement des gaz de combustion entre ladite paroi longitudinale et le tube externe (26).
2. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, comprenant en outre une chemise tubulaire (7) disposée concentriquement entre le tube de combustion (5) et le tube externe (26), connectée à la paroi de fermeture (14) et positionnée en vis-à-vis de l'ouverture (9) des moyens d'évacuation, pour former une zone annulaire, dite zone de recombinaison (8), permettant de prolonger le temps de séjour des gaz de combustion s’échappant par l’ouverture (9).
3. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube externe (26) délimite au moins en partie avec le tube de combustion (5) un passage annulaire, dit by-pass (6), permettant le passage d’un flux d’air de dilution apte à se mélanger avec les gaz de combustion en aval de la zone de combustion (4).
4. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube externe (26) délimite au moins en partie avec la chemise tubulaire (7) un passage annulaire, dit by-pass (6), permettant le passage d’un flux d’air de dilution apte à se mélanger avec les gaz de combustion en aval de la zone de recombinaison (8).
5. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 2, caractérisé en que la chemise tubulaire (7) s'étend axialement sur au moins 50% de la longueur du tube de combustion (5).
6. Dispositif de combustion (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un plénum (1) de forme cylindrique formé en partie par une portion du turbe externe (26) et par la paroi de fermeture (14), ladite portion étant disposée à une extrémité avant du tube externe (26), ladite paroi de fermeture (14) formant un fond dudit plenum (1).
7. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 3 ou À, caractérisé en que la paroi de fermeture (14) comprend en outre une ou plusieurs ouvertures (39), dites ouvertures de by-pass, aménagées dans sa périphérie et par lesquelles le flux d'air de dilution entre dans le by-pass (6).
8. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 6, caractérisé en que le plénum (1) est connecté fluidiquement à un conduit d'alimentation d'air (10, 21).
9. Dispositif de combustion (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture (9) des moyens d'évacuation de gaz de combustion est une ouverture annulaire formée entre la paroi de fermeture (14) et le bord avant du tube de combustion (5).
10. Dispositif de combustion (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’orifice (35) d’injection de carburant est un orifice centré par rapport au tube de combustion (5).
11. Dispositif de combustion (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection de carburant comportent une tête d'injection (33) dans laquelle l’orifice (35) d'injection de carburant est formé.
12. Dispositif de combustion (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection de carburant comportent un tube d'injection (20) de carburant dont l'extrémité arrière est solidaire de la tête d'injection (33).
13. Dispositif de combustion (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit d'alimentation d'air (10, 21) et le tube d'injection (20) de carburant sont sur une partie de leur longueurs respectives, disposés de manière coaxiale.
14. Dispositif de combustion (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’orifice (36) d'injection d'air est constitué de plusieurs orifices (36) disposés dans la paroi de fermeture (14).
15. Dispositif de combustion (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’orifice (36) d'injection d'air encercle l’orifice (35) d'injection de carburant.
16. Dispositif de combustion (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection d'air comportent un anneau d'injection (40) fixé à la paroi de fermeture (14).
17. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 16, caractérisé en que l’anneau d’injection (40) comporte une surface interne (31) guidant un flux d’air entrant dans la zone de combustion (4).
18. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que les moyens d'injection d’air comportent en outre un élément de guidage (33) disposé au centre de l'anneau d'injection (40).
19. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 18, caractérisé en ce que l’élément de guidage (33) comporte une surface externe (41) guidant le flux d'air entrant dans la zone de combustion (4), une portion de ladite surface externe (41) étant de forme sensiblement conique.
20. Dispositif de combustion (100) selon la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce que l’élément de guidage (33) et l'anneau d'injection (40) sont reliées par un ou plusieurs bras profilés (30).
21. Dispositif de combustion (100) selon l’une quelconque des revendications 18 à 20, caractérisé en ce que l'élément de guidage (33) coïncide avec la tête d'injection de carburant (33).
22. Dispositif de combustion (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un tube conique convergent (24) solidaire du tube externe (26) pour l'évacuation des gaz de combustion.
23. Dispositif de combustion (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fond (12) fermant le tube de combustion (12) est étanche.
24. Appareil de production d'électricité ou de cogénération d'énergie comportant un dispositif de combustion (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
25. Appareil de production d'électricité ou de cogénération d'énergie selon la revendication 24, comprenant un échangeur de chaleur (105) permettant de récupérer l’énergie thermique des gaz de combustion produite dans le dispositif de combustion (100), pour préchauffer l’air d'admission alimentant le dispositif de combustion (100).
26. Appareil de production d'électricité ou de cogénération d'énergie selon la revendication 24 ou 25, caractérisé en ce que l’échangeur de chaleur (105) comprend un premier circuit en communication fluidique avec une section aval d’une turbine (104), en particulier une micro-turbine, et un deuxième circuit en communication fluidique avec une section amont du dispositif de combustion (100).
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