EP1344000B1 - Dispositif de combustion catalytique avec vaporisation de combustible liquide sur parois chaudes - Google Patents

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EP1344000B1
EP1344000B1 EP01270733A EP01270733A EP1344000B1 EP 1344000 B1 EP1344000 B1 EP 1344000B1 EP 01270733 A EP01270733 A EP 01270733A EP 01270733 A EP01270733 A EP 01270733A EP 1344000 B1 EP1344000 B1 EP 1344000B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
fuel
area
wall
catalytic
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01270733A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1344000A1 (fr
Inventor
Gérard Martin
Tidjani Niass
Jean-François Le Coz
Etienne Lebas
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP1344000A1 publication Critical patent/EP1344000A1/fr
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Publication of EP1344000B1 publication Critical patent/EP1344000B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00—Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D9/00—Burners in which a stream of liquid fuel impinges intermittently on a hot surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means

Definitions

  • the present invention relates to a catalytic combustion device with vaporization of hot-wall liquid fuel, thus making it possible to optimize the preparation of the air-fuel mixture in a combustion zone.
  • Catalytic combustion is a seductive solution to meet the increasing severity of pollutant standards.
  • the catalytic combustion chamber advantageously replaces conventional burners, because it allows a better control of the total oxidation of the fuel in a very wide range of values of the air / fuel ratio, thus allowing to work in optimal conditions which reduce emissions of nitrogen oxides, unburned fuels and carbon monoxide.
  • the essential characteristic of this particular type of combustion is to ensure complete oxidation of the fuels at a relatively low temperature (below 1000 ° C), compared with conventional combustion.
  • catalytic combustion makes it possible to burn a wide variety of compounds.
  • the applications of catalytic combustion are thus multiple: radiant panels and tubes, catalytic stoves, gas turbines, cogeneration, burners for boilers, catalytic sleeves for tubular reaction systems, production of hot gases in the field of direct contact heating and jet reactors. catalytic plates, etc.
  • the possible fields of application of catalytic combustion are described in the literature for example in “Catalytic Combustion: Current Status and Implications for Energy Efficiency in the Process Industries, Heat recovery system & CHP, 13, No. 5, pp 383-390. , 1993 ".
  • Combustion catalysts are generally prepared from a monolithic ceramic or metal substrate on which a thin support layer of one or more refractory oxides with a greater surface area and porosity than the monolithic substrate is deposited. . On this support layer is dispersed the active phase most often comprising mainly platinum group metals.
  • the most widespread reactor configuration is a reactor comprising a plurality of catalytic zones: the input catalyst (s) being more specifically dedicated at the initiation of the combustion reaction, the following being used to stabilize the combustion reaction at high temperature; the number of catalytic stages (or zones) being adjusted according to the conditions imposed by the intended application. It is also possible to replace the first catalytic zone initiation of the reaction with a pilot burner to initiate the reaction.
  • the preparation of the air-fuel mixture is one of the most critical points.
  • This mixture must be made as quickly as possible, and in the most homogeneous manner while limiting the risk of auto-ignition.
  • JP 11-2645114 It is also possible (JP 11-264514) to introduce the fuel into a spray pot within which a sufficient temperature prevails to ensure the vaporization of the fuel in fine droplets.
  • the work carried out by the applicant has shown that it is possible to substantially improve the homogeneity of the air / fuel mixture and consequently to optimize the control of the catalytic oxidation of the fuels and to limit the emission of gaseous pollutants by improving the vaporization of the liquid fuel to obtain finer droplets.
  • the invention relates to a catalytic combustion device comprising a main combustion zone comprising at least one catalytic stage, at least one air / fuel mixing zone, said mixing zone comprising at least one pressurized air inlet and means for injecting a liquid fuel, characterized in that the injection means project the liquid fuel on a wall heated by the combustion of the air / fuel mixture in the zone of main combustion so as to allow the vaporization of said fuel in contact with this wall.
  • the invention it is possible to very substantially reduce the diameter of the liquid droplets by sending a primary liquid jet on a surface of temperature greater than the maximum boiling temperature of said fuel under the pressure conditions of the combustion zone.
  • This primary liquid jet may be advantageously derived from any injector or spray system known to those skilled in the art.
  • injectors are used which allow a primary sputtering of the fuel with liquid droplets whose average diameter is between 5 and 60 ⁇ m (10 -6 meter), preferably between 10 and 40 ⁇ m.
  • the surface temperature of the wall encountered by the primary jet is substantially equal to or greater than the pressure considered, at a first temperature T N of the wall corresponding to a maximum boiling temperature. liquid.
  • the intense heat exchanges between the wall and the fuel cause a strong spraying of the liquid fuel (also called Nukiyama temperature).
  • a temperature higher or lower than 100 ° C to said temperature preferably a temperature higher or lower than 50 ° C to said temperature and very preferably a temperature higher or lower than 20 ° C to said temperature.
  • the control of the temperature of the wall will therefore determine the size of the droplets and may be carried out according to any technique known to those skilled in the art.
  • the hot wall on which the fuel is sprayed is the wall of the combustion zone or post-combustion zone or the zone carrying the hot gases from combustion or that of the starting equipment which may be for example , a flame combustion chamber, an electric heater or any other device known to those skilled in the art.
  • the means for injecting the liquid fuel are injectors carrying out a primary spraying whose orientation and characteristics are calculated to obtain the most homogeneous distribution possible of the fuel in the air of combustion and the size of the droplets from said injector is between 5 and 60 microns, preferably between 10 and 40 microns and very preferably between 20 and 30 microns.
  • the hot wall of the zone facing said injection means has a substantially flat shape.
  • the hot wall of the zone facing the injectors has a curved shape, for example concave.
  • zone receiving the impact of the fuel jets it is advantageous for the zone receiving the impact of the fuel jets to be equipped with devices making it possible to increase the heat transfer from the hot zone to the spray zone.
  • the device according to the present invention finds its application, for example, in gas turbines having a heat recovery unit or in annular geometry combustion chambers.
  • the combustion device schematized in FIG. 1 comprises a pressurized air inlet 1 coming from a compressor (not shown in the figure). This air circulates in a peripheral annular space 2 before arriving in a distribution box 3 where it is shared between a flow intended for a combustion ignition device, here a pilot burner 4, and a flow directed towards a section catalytic 5.
  • a device not shown in the figure can be placed at this distribution box 3, to share the air optimally, whatever the pace of the machine.
  • the pilot burner shown in FIG. 1 is a conventional flame burner. It comprises a central fuel supply rod 6, an air box 7, means 8, such as for example blades, to adjust the speed and the rotation of the combustion air before it enters the combustion zone. 9 of the pilot burner, an exit zone 10 of the fumes produced by the pilot burner, said outlet passing right through the catalytic section 5.
  • This pilot burner may also be equipment known to those skilled in the art and known to emit little nitrogen oxides, such as systems in which the combustion air is rotated in bladders, with injection fuel within the blades, or part of the blades, or in the immediate vicinity of these blades.
  • main combustion zone 20 it comprises an air-fuel mixture zone 11 located downstream of the distribution box 3, mechanical spray liquid fuel injectors 12 equidistributed for example around the periphery of the mixing zone 11 and the catalytic section 5.
  • the injectors 12 produce a jet of liquid fuel directed towards the hot wall 13 of the pilot burner 4, and make it possible to carry out a primary spraying of this fuel with liquid droplets whose average diameter is between 5 and 60 ⁇ m (10 -6 meter). ) and preferably between 10 and 40 ⁇ m.
  • This jet is preferably substantially perpendicular to the hot wall.
  • substantially perpendicular it is understood that the angle between the surface of the hot wall relative to the axis of the jet is very preferably between 80 ° and 100 °.
  • this angle can be between 40 ° and 140 ° and preferably between 60 ° and 120 °.
  • the wall 13 is heated by the combustion of the air / fuel mixture in section 5 and in contact with the hot wall, the liquid fuel is vaporized by dividing into very small droplets of a few microns (10 -6 m) average diameter that are driven by the combustion air.
  • the number of injectors, their orientation with respect to the hot surface and the characteristics of the injectors are calculated by those skilled in the art to obtain the most homogeneous distribution possible of the fuel in the gas flow, once the fine droplets sprayed.
  • the air-fuel gas mixture then enters the catalytic section 5, which is most often constituted by one or more monoliths in parallel and or in series, in order to limit the pressure drops.
  • the so-called post-combustion zone 14 provided for this purpose.
  • the wall 15 which is in contact with the post-combustion zone 14 or with the catalytic section 5 is also a wall heated by the combustion of the air-fuel mixture in the catalytic section 5 and it can be envisaged to arrange the injectors 12 facing each other. of this wall.
  • the wall 13 of the pilot burner 4 opposite the injectors may have a substantially flat shape, or even concave curvature, so that all the liquid fuel droplets emitted by the injector have the greatest impact on the injector. perpendicularly possible the hot surface where they must fragment and spray.
  • FIG. 1 is another possible illustration of the invention.
  • combustion air supply 101 from the compressor (not shown in the figure), a combustion ignition device 102 (or pilot burner) and the main combustion zone 200 with its catalytic section 103 itself.
  • the combustion air circulates in a substantially annular peripheral space 104.
  • the fuel is introduced by means of injectors 105 which are fixed and substantially evenly distributed on the outer wall 106 of the outer wall of the annular space 104.
  • injectors can be mechanical (without spraying assistance) or pneumatic (with assistance of a spraying fluid) or any other equivalent device.
  • the jets produced by these injectors are directed towards the hot wall 107 which separates the annular space 104 from the zone 108 which may be an afterburner zone or else simply a connection zone between the catalytic section 103 and the expansion turbine. (Not shown in the figure) and, in contact with this hot wall, the liquid fuel is sprayed into very fine droplets.
  • the injectors 105 produce a fuel jet with a primary spray containing liquid droplets whose average diameter is between 5 and 60 microns (10 -6 meters), preferably between 10 and 40 microns.
  • certain parts of the wall 107 may be covered with insulating materials in order to avoid hot spots which may lead to premature ignition of the air-fuel mixture.
  • zone 120 of the wall 107 which receives the impact of the jets may be equipped with devices such as fins to increase the heat transfer from the hot zone 108 to the spray zone 104.
  • the number of injectors, their orientation with respect to the hot wall and their characteristics are calculated by those skilled in the art to obtain the most homogeneous distribution possible of the fuel, once the droplets are sprayed.
  • the annular zone 104 ends with a distributor 109 which distributes the air-fuel mixture between the pilot burner 102 and the main catalytic section 103.
  • This distribution can be obtained for example by a movable shutter 110 which is placed alternately facing the inlet 111 of the catalytic section 103 or face to the inlet 112 of the pilot burner 102, depending on the operating conditions of the machine.
  • the pilot burner may be a device such as that shown in FIG. 1. It may also be according to the system indicated in FIG. 2, that is to say constituted by a catalytic priming section 121, powered by a circuit 113
  • This catalytic section may be a metal monolith, preheated by the Joule effect, thanks to a power supply consisting of any source of electricity 114, two metal connectors 115 located at each end of the monolith and dome. an electrical connection 116 connecting said connectors 115 to the electricity source 114.
  • the main catalytic section 103 comprises a distribution box 117 of the air-fuel mixture, this box being able to be equipped for example with a perforated plate 118 intended to ensure a homogeneous supply of all the constituent channels of the monolith.
  • This plate 118 may also be a monolith of very small thickness, intended to block any flame in the case of an undesired autoignition of the air-fuel mixture, in the space 119 situated between said plate 118 and the main catalytic section. 103. This may consist of one or more monoliths placed in series or in parallel.
  • a free space 108 before the expansion turbine (not shown in the figure), intended to complete the combustion of the air-fuel mixture, in case it has not burned completely in the catalytic section.
  • the catalytic sections 102 and 103 may use catalysts of different natures.
  • the catalyst of the pilot burner 102 may for example be high in precious metals known for their efficiency in catalytic combustion and thus allow the start of combustion from 200 or 250 ° C.
  • the invention can also be applied to gas turbine configurations having a heat recovery unit or annular geometry combustion chambers.

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Description

  • La présente invention concerne un dispositif de combustion catalytique avec vaporisation de combustible liquide sur paroi chaude en permettant ainsi d'optimiser la préparation du mélange air-combustible dans une zone de combustion.
  • La combustion conventionnelle, réalisée en présence d'une flamme, habituellement utilisée dans les procédés de combustion est un processus difficilement contrôlable.
  • Elle se produit dans un domaine de concentrations air/combustible bien déterminé et conduit, outre à la formation de dioxyde de carbone et d'eau, à la production de polluants tels que le monoxyde de carbone et les oxydes d'azote.
  • En raison de la sévérisation accélérée des contraintes environnementales sur les polluants émis par les procédés de combustion (oxydes d'azote, combustibles imbrûlés, monoxyde de carbone), il devient nécessaire de trouver de nouvelles technologies permettant de diminuer fortement les émissions de ceux-ci.
  • Plusieurs solutions conventionnelles sont connues de l'homme de l'art :
    • La réduction sélective catalytique des oxydes d'azote par l'ammoniac permet de réduire les concentrations en NOx dans les fumées à environ 10 ppm. Mais cette solution nécessite la mise en place d'un réacteur particulier en aval de la chambre de combustion, le stockage et l'utilisation d'ammoniac, et les frais d'installation et de fonctionnement d'une telle solution sont élevés.
    • L'injection d'eau ou de vapeur d'eau qui abaisse la température atteinte par les gaz de combustion, réduisant ainsi de façon significative les teneurs en NOx à environ 50 ppm. Le coût d'un tel dispositif est faible, mais les coûts de fonctionnement sont élevés en raison de la purification poussée de l'eau préalable à l'injection et de la surconsommation de combustible due à un abaissement du rendement énergétique. En outre, si l'injection d'eau suffit pour passer les normes actuelles, elle ne permettra pas de satisfaire aux normes futures sur les NOx.
    • La combustion en mélange pauvre. Tout comme la présente invention, cette technologie repose sur l'abaissement des températures de combustion. Elle permet de faire chuter les NOx à environ 20 ppm, mais cette diminution se fait souvent au détriment des émissions de monoxyde de carbone et de combustibles imbrûlés, qui se trouvent accrues.
  • La combustion catalytique, comme mieux décrite dans JP 11-264514, est une solution séduisante pour répondre à la sévérisation croissante des normes sur les polluants. En effet, la chambre de combustion catalytique remplace avantageusement les brûleurs conventionnels, car elle autorise un meilleur contrôle de l'oxydation totale du combustible dans un très large domaine des valeurs du rapport air/combustible, permettant ainsi de travailler dans des conditions optimales qui réduisent fortement les émissions des oxydes d'azote, de combustibles imbrûlés et de monoxyde de carbone. On sait que la caractéristique essentielle de ce type particulier de combustion est d'assurer l'oxydation complète des combustibles à une température relativement basse (inférieure à 1000 °C), par rapport à une combustion conventionnelle.
  • On peut également mentionner que la combustion catalytique permet de brûler une grande variété de composés. Les applications de la combustion catalytique sont ainsi multiples : panneaux et tubes radiants, réchauds catalytiques, turbines à gaz, cogénération, brûleurs pour chaudières, manchons catalytiques pour systèmes réactionnels tubulaires, production de gaz chauds dans le domaine du chauffage par contact direct et réacteurs à plaques catalytiques, etc. Les domaines d'application possibles de la combustion catalytique sont décrits dans la littérature par exemple dans « Catalytic Combustion : Current Status and Implications for Energy Efficiency in the Process Industries, Heat recovery system & CHP, 13, n°5, pp 383-390, 1993 ».
  • Les catalyseurs de combustion sont généralement préparés à partir d'un substrat monolithique, en céramique ou en métal, sur lequel on dépose une fine couche de support constituée d'un ou plusieurs oxydes réfractaires, de surface et de porosité supérieures à celle du substrat monolithique. Sur cette couche support est dispersée la phase active le plus souvent comprenant essentiellement des métaux du groupe du platine.
  • Concernant les procédés de combustion catalytique dans les domaines de la production d'énergie et de la cogénération, la configuration de réacteur la plus répandue est un réacteur comprenant plusieurs zones catalytiques : le(s) catalyseur(s) d'entrée étant plus spécifiquement dédié à l'amorçage de la réaction de combustion, les suivants servant à stabiliser la réaction de combustion à haute température ; le nombre d'étages (ou de zones) catalytiques étant ajusté en fonction des conditions imposées par l'application envisagée. Il est également possible de remplacer la première zone catalytique d'amorçage de la réaction par un brûleur pilote permettant d'initier la réaction.
  • Dans la version classique de la chambre de combustion catalytique, c'est-à-dire avec zone de mélange suivie de la section catalytique, la préparation du mélange air-combustible est un des points les plus critiques.
  • II faut réaliser ce mélange le plus rapidement possible, et de la façon la plus homogène tout en limitant les risques d'auto-inflammation.
  • Il est également des cas où la température de l'air en sortie de compresseur est trop faible pour permettre une pulvérisation rapide du combustible.
  • Pour obtenir la pulvérisation d'un combustible liquide, l'une des manières les plus faciles à mettre en oeuvre est de projeter celui-ci à grande vitesse sur une surface, préférentiellement sur une surface plane et perpendiculairement à celle-ci. De tels modes d'injections sont employés par exemple en craquage catalytique, mais les granulométries obtenues sont toujours assez grossières (diamètre moyen des gouttelettes de l'ordre de plusieurs centaines de microns).
  • Il est également possible (JP 11-264514) d'introduire le combustible dans un pot de vaporisation à l'intérieur duquel règne une température suffisante pour assurer la vaporisation du combustible en fines goutelettes.
  • Les travaux effectués par le demandeur ont montré qu'il était possible d'améliorer sensiblement l'homogénéité du mélange air/combustible et par suite d'optimiser le contrôle de l'oxydation catalytique des combustibles et de limiter l'émission de gaz polluants en améliorant la vaporisation du combustible liquide pour obtenir de plus fines gouttelettes.
  • Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de combustion catalytique comprenant une zone de combustion principale comportant au moins un étage catalytique, au moins une zone de mélange air/combustible, ladite zone de mélange comprenant au moins une arrivée d'air sous pression et des moyens d'injection d'un combustible liquide, caractérisée en ce que les moyens d'injection projettent le combustible liquide sur une paroi chauffée par la combustion du mélange air/combustible dans la zone de combustion principale de manière à permettre la vaporisation dudit combustible au contact de cette paroi.
  • Grâce à l'invention, il est possible de réduire très sensiblement le diamètre des gouttelettes liquides en envoyant un jet liquide primaire sur une surface de température supérieure à la température maximale d'ébullition dudit combustible dans les conditions de pression de la zone de combustion.
  • Ce jet liquide primaire peut être avantageusement issu de tout injecteur ou système de pulvérisation connu de l'homme du métier.
  • En général, on utilise des injecteurs permettant une pulvérisation primaire du combustible avec des gouttelettes liquides dont le diamètre moyen est compris entre 5 et 60 µm (10-6 mètre), de préférence entre 10 et 40 µm.
  • Il a été trouvé par le demandeur qu'avantageusement la température de surface de la paroi rencontrée par le jet primaire est sensiblement égale ou supérieure, à la pression considérée, à une première température TN de la paroi correspondant à une température d'ébullition maximale du liquide.
  • A cette température TN, les échanges thermiques intenses entre la paroi et le combustible entraînent une forte pulvérisation du combustible liquide (encore appelée température de Nukiyama). Par sensiblement égale, il est entendu une température supérieure ou inférieure de 100°C à ladite température, de préférence une température supérieure ou inférieure de 50°C à ladite température et de façon très préférée une température supérieure ou inférieure de 20°C à ladite température.
  • II a également été trouvé par le demandeur qu'il était par ailleurs possible, selon un autre mode de réalisation de l'invention, d'obtenir avantageusement une forte fragmentation des gouttelettes liquides issues du jet primaire en se plaçant sensiblement entre ladite température de Nukiyama et une température TL au voisinage et au-delà de laquelle les transferts thermiques sont amoindris par la présence d'un film de vapeur entre la gouttelette et la paroi (appelée température de Leidenfrost).
  • Il sera cependant également possible, sans sortir du cadre de l'invention, de se placer à une température supérieure à la ladite température de Leidenfrost, au-delà de laquelle la durée de l'évaporation des gouttelettes liquides diminue en raison de l'augmentation avec la paroi des transferts de chaleur par conduction, convection et radiation.
  • Le contrôle de la température de la paroi conditionnera donc la taille des gouttelettes et pourra être effectué selon toute technique connue de l'homme du métier.
  • Une telle stratégie d'injection présente de nombreux avantages lors de la préparation du mélange air-combustible, en combustion catalytique :
    • Par rapport à une configuration classique de dispositif de combustion catalytique avec pré-mélangeur et section catalytique, un agencement présentant un tel mode d'injection permet d'avoir une vaporisation plus rapide du combustible liquide, en particulier ceux qui ont des températures finales de vaporisation assez élevées. C'est le cas de certains gazoles par exemple. Dans ces conditions, le pré-mélange air-combustible peut être obtenu plus rapidement.
    • L'agencement objet de la présente invention peut aussi contribuer au refroidissement des parois des zones de combustion ou de post-combustion ou encore de la zone qui véhicule les gaz chauds vers la turbine de détente.
    • Dans les cas où la température de l'air en sortie du compresseur alimentant le dispositif de combustion catalytique se révèle insuffisante pour obtenir la vaporisation complète du combustible, la solution proposée permet de s'affranchir de ce problème, grâce au transfert de chaleur qui s'opère entre la zone de combustion ou de post-combustion et la zone d'injection du combustible.
    • Il permet d'envisager une réduction significative du volume total de la zone de combustion, puisque la zone normalement réservée à la vaporisation du combustible et au prémélange disparaît.
  • En général, la paroi chaude sur laquelle le combustible est pulvérisé est la paroi de la zone de combustion ou de post-combustion ou de la zone véhiculant les gaz chauds issus de la combustion ou celle de l'équipement de démarrage qui peut être par exemple, une chambre de combustion à flamme, un réchauffeur électrique ou tout autre dispositif connu de l'Homme de l'Art.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens permettant l'injection du combustible liquide sont des injecteurs réalisant une pulvérisation primaire dont l'orientation et les caractéristiques sont calculées pour obtenir la répartition la plus homogène possible du combustible dans l'air de combustion et la taille des gouttelettes issues dudit injecteur est comprise entre 5 et 60 µm, de préférence entre 10 et 40 µm et de façon très préférée entre 20 et 30 µm.
  • Avantageusement, la paroi chaude de la zone en regard desdits moyens d'injection présente une forme sensiblement plane.
  • II est également possible sans sortir du cadre de l'invention que la paroi chaude de la zone en regard des injecteurs présente une forme courbée, par exemple concave.
  • II est avantageux que la zone recevant l'impact des jets de combustible soit équipée de dispositifs permettant d'augmenter le transfert de chaleur de la zone chaude vers la zone de pulvérisation.
  • Le dispositif selon la présente invention trouve par exemple son application dans les turbines à gaz possédant un récupérateur de chaleur ou dans les chambres de combustion à géométrie annulaire.
  • Les figures 1 et 2 donnent, à titre d'exemple non limitatif de l'invention, deux modes de réalisation différents du dispositif selon l'invention :
    • La figure 1 montre un exemple de réalisation dans lequel l'injection du combustible est effectuée sur une paroi chaude d'un dispositif d'amorçage de la combustion constitué par un brûleur pilote.
    • La figure 2 montre un autre exemple de réalisation dans lequel l'injection du combustible est effectuée sur une paroi chaude d'une zone de post-combustion.
  • Le dispositif de combustion schématisé dans la figure 1 comprend une arrivée d'air sous pression 1 issu d'un compresseur (non représenté sur la figure). Cet air circule dans un espace annulaire périphérique 2 avant d'arriver dans une boîte de distribution 3 où il est partagé entre un flux destiné à un dispositif d'amorçage de la combustion, ici un brûleur pilote 4, et un flux dirigé vers une section catalytique 5.
  • Un dispositif non représenté sur la figure peut être placé au niveau de cette boîte de distribution 3, afin de partager l'air de façon optimale, quelle que soit l'allure de la machine.
  • Le brûleur pilote représenté sur la figure 1 est un brûleur classique à flamme. Il comporte une canne centrale d'alimentation en combustible 6, une boîte à air 7, des moyens 8, tels que par exemple des aubages, pour ajuster la vitesse et la rotation de l'air de combustion avant sa pénétration dans la zone de combustion 9 du brûleur pilote, une zone de sortie 10 des fumées produites par le brûleur pilote, ladite sortie traversant de part en part la section catalytique 5.
  • Ce brûleur pilote peut aussi être un équipement connu de l'Homme de l'Art et réputé émettre peu d'oxydes d'azote, comme par exemple les systèmes dans lesquels l'air de combustion est mis en rotation dans des aubages, avec injection du combustible à l'intérieur des aubages, ou d'une partie des aubages, ou encore à proximité immédiate de ces aubages.
  • En ce qui concerne la zone de combustion principale 20, celle-ci comporte une zone de mélange air-combustible 11 située en aval de la boîte de distribution 3, des injecteurs de combustible liquide à pulvérisation mécanique 12 équirépartis par exemple sur le pourtour de la zone de mélange 11 et la section catalytique 5.
  • Les injecteurs 12 produisent un jet de combustible liquide dirigé vers la paroi chaude 13 du brûleur pilote 4, et permettent de réaliser une pulvérisation primaire de ce combustible avec des gouttelettes liquides dont le diamètre moyen est compris entre 5 et 60 µm (10-6 mètre) et de préférence entre 10 et 40 µm.
  • Ce jet est, de préférence, sensiblement perpendiculaire à la paroi chaude. Par sensiblement perpendiculaire, il est entendu que l'angle entre la surface de la paroi chaude par rapport à l'axe du jet est compris de façon très préférée entre 80° et 100°.
  • Bien entendu, cet angle peut être compris entre 40° et 140° et de préférence entre 60° et 120°.
  • La paroi 13 est chauffée par la combustion du mélange air/combustible dans la section 5 et au contact de la paroi chaude, le combustible liquide est vaporisé en se divisant en de très fines gouttelettes de quelques microns (10-6 m) de diamètre moyen qui sont entraînées par l'air de combustion. Le nombre d'injecteurs, leur orientation par rapport à la surface chaude et les caractéristiques des injecteurs sont calculés par l'Homme de l'Art pour obtenir la répartition la plus homogène possible du combustible dans l'écoulement gazeux, une fois les fines gouttelettes pulvérisées. Le mélange gazeux air-combustible pénètre ensuite dans la section catalytique 5, qui est le plus souvent constituée d'un ou plusieurs monolithes en parallèle et ou en série, afin de limiter les pertes de charge. Lorsque la combustion du mélange air-combustible n'est pas complète dans la section catalytique, elle se poursuit dans la zone 14 dite de post-combustion, prévue à cet effet.
  • La paroi 15 qui est en contact avec la zone de post combustion 14 ou avec la section catalytique 5 est également une paroi chauffée par la combustion du mélange air-combustible dans la section catalytique 5 et il peut être envisagé de disposer les injecteurs 12 en regard de cette paroi.
  • Selon une variante afin d'optimiser la pulvérisation des gouttelettes, la paroi 13 du brûleur pilote 4 en regard des injecteurs peut avoir une forme sensiblement plane, voire courbée concave afin que toutes les gouttelettes de combustible liquide émises par l'injecteur, impactent le plus perpendiculairement possible la surface chaude où elles doivent se fragmenter et se pulvériser.
  • Sans sortir du cadre de l'invention il est bien sûr possible d'envisager tout dispositif connu permettant d'obtenir un tel effet, comme par exemple la présence d'inserts de forme sensiblement plane ou courbée convexe.
  • La figure 2 est une autre illustration possible de l'invention.
  • On retrouve une alimentation en air de combustion 101 issu du compresseur (non représenté sur la figure), un dispositif d'amorçage de la combustion 102 (ou brûleur pilote) et la zone de combustion principale 200 avec sa section catalytique 103 proprement dite.
  • L'air de combustion circule dans un espace périphérique sensiblement annulaire 104. Le combustible est introduit au moyen d'injecteurs 105 fixés et sensiblement équirépartis sur la paroi extérieure 106 de la paroi externe de l'espace annulaire 104. Ces injecteurs peuvent être mécaniques (sans assistance de la pulvérisation) ou pneumatiques (avec assistance d'un fluide de pulvérisation) ou tout autre dispositif équivalent. Les jets produits par ces injecteurs sont dirigés vers la paroi chaude 107 qui sépare l'espace annulaire 104 de la zone 108 qui peut être une zone de post-combustion ou encore simplement une zone de liaison entre la section catalytique 103 et la turbine de détente (non représentée sur la figure) et, au contact de cette paroi chaude, le combustible liquide est pulvérisé en de très fines gouttelettes.
  • Comme précédemment décrit, les injecteurs 105 produisent un jet de combustible avec une pulvérisation primaire contenant des gouttelettes liquides dont le diamètre moyen est compris entre 5 et 60 µm (10-6 mètre), de préférence entre 10 et 40 µm.
  • De manière avantageuse, certaines parties de la paroi 107 peuvent être recouvertes de matériaux isolants afin d'éviter des points chauds qui peuvent amener une inflammation prématurée du mélange air-combustible.
  • A l'inverse, la zone 120 de la paroi 107 qui reçoit l'impact des jets, peut être équipée de dispositifs tels que des ailettes, afin d'augmenter le transfert de chaleur de la zone chaude 108 vers la zone de pulvérisation 104.
  • Comme dans le cas précédent, le nombre d'injecteurs, leur orientation par rapport à la paroi chaude et leurs caractéristiques sont calculés par l'Homme de l'Art pour obtenir la répartition la plus homogène possible du combustible, une fois les gouttelettes pulvérisées.
  • La zone annulaire 104 se termine par un répartiteur 109 qui distribue le mélange air-combustible entre le brûleur pilote 102 et la section catalytique principale 103. Cette répartition peut être obtenue par exemple par un obturateur mobile 110 qui vient se placer alternativement face à l'entrée 111 de la section catalytique 103 ou face à l'entrée 112 du brûleur pilote 102, selon les conditions de fonctionnement de la machine.
  • Le brûleur pilote peut être un dispositif comme celui présenté à la figure 1. II peut aussi être selon le système indiqué à la figure 2, c'est-à-dire constitué d'une section catalytique d'amorçage 121, alimentée par un circuit 113 situé après le répartiteur 109. Cette section catalytique peut être un monolithe métallique, préchauffé par effet Joule, grâce à une alimentation électrique constituée d'une source d'électricité quelconque 114, de deux connecteurs métalliques 115 situés à chaque extrémité du monolithe et d'une liaison électrique 116 reliant lesdits connecteurs 115 à la source d'électricité 114.
  • La section catalytique principale 103 comprend une boîte de distribution 117 du mélange air-combustible, cette boîte pouvant être équipée par exemple d'une plaque perforée 118 destinée à assurer une alimentation homogène de tous les canaux constitutifs du monolithe.
  • Cette plaque 118 peut aussi être un monolithe de très faible épaisseur, destiné à bloquer toute flamme dans le cas d'une auto-inflammation non désirée du mélange air-combustible, dans l'espace 119 situé entre ladite plaque 118 et la section catalytique principale 103. Celle-ci peut être constituée d'un ou plusieurs monolithes placés en série ou en parallèle.
  • Comme dans le cas précédent, il peut y avoir en aval de la section catalytique 103, un espace libre 108 avant la turbine de détente (non représentée sur la figure), destinée à achever la combustion du mélange air-combustible, au cas où il n'aurait pas complètement brûlé dans la section catalytique.
  • Les sections catalytiques 102 et 103 peuvent faire appel à des catalyseurs de natures différentes. Le catalyseur du brûleur pilote 102 peut être par exemple à forte teneur en métaux précieux connus pour leur efficacité en combustion catalytique et ainsi permettre le démarrage de la combustion dès 200 ou 250°C.
  • L'invention peut s'appliquer également à des configurations de turbines à gaz possédant un récupérateur de chaleur ou aux chambres de combustion à géométrie annulaire.

Claims (13)

  1. Dispositif de combustion catalytique comprenant une zone de combustion principale (20, 200) comprenant au moins une section catalytique (5, 103), au moins une zone de mélange air/combustible (11, 117), ladite zone de mélange comprenant au moins une arrivée d'air sous pression (1, 101), et des moyens d'injection (12, 105) d'un combustible liquide, caractérisé en ce que les moyens d'injection (12, 105) projettent le combustible liquide sur une paroi chauffée par la combustion du mélange air/combustible dans la zone de combustion principale (13, 15, 107) de manière à permettre la vaporisation dudit combustible au contact de ladite paroi.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la projection du combustible est réalisée de manière sensiblement perpendiculaire à la paroi chaude (13, 15, 107).
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite paroi chaude (15) est constituée au moins en partie d'au moins une des parois de la zone de combustion principale (20).
  4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 comportant en outre une zone d'amorçage de la combustion (4, 102), caractérisé en ce que ladite paroi chaude (13) est constituée au moins en partie d'au moins une des parois de la zone d'amorçage de la combustion (4).
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel au moins une zone de post-combustion (14, 108) est disposée en aval de la zone de combustion principale (20, 200), caractérisé en ce que la paroi chaude (15, 107) est constituée au moins en partie d'au moins une des parois de ladite zone de post-combustion.
  6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens permettant l'injection du combustible liquide sont des injecteurs (12, 105) réalisant une pulvérisation primaire telle que la taille des gouttelettes issues desdits injecteurs (12, 105) est comprise entre 5 et 60 µm, de préférence entre 10 et 40 µm.
  7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi chaude (13, 15, 107) de la zone en regard desdits moyens d'injection présente une forme sensiblement plane.
  8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la paroi chaude (13, 15, 107) de la zone en regard des injecteurs présente une forme courbée concave.
  9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de ladite paroi chaude (13, 15, 107) dudit dispositif est sensiblement égale ou supérieure à la température maximale d'ébullition du combustible liquide sur ladite paroi.
  10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (107) recevant l'impact des jets de combustible est équipée de moyens permettant d'augmenter le transfert de chaleur de la zone chaude vers la zone de pulvérisation.
  11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (107) est recouverte au moins en partie de matériau isolant à l'exception d'une zone (120) recevant l'impact des jets de combustible.
  12. Application du dispositif selon l'une des revendications précédentes à des turbines à gaz possédant un récupérateur de chaleur.
  13. Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 11 aux chambres de combustion à géométrie annulaire.
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