EP2129966B1 - Brûleur poreux à hydrogène sans prémélange - Google Patents

Brûleur poreux à hydrogène sans prémélange Download PDF

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EP2129966B1
EP2129966B1 EP08775565.8A EP08775565A EP2129966B1 EP 2129966 B1 EP2129966 B1 EP 2129966B1 EP 08775565 A EP08775565 A EP 08775565A EP 2129966 B1 EP2129966 B1 EP 2129966B1
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EP
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premixing
porous element
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less hydrogen
hydrogen burner
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Jérôme Colin
André NICOLLE
Willi Nastoll
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • 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
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Description

    Domaine de l'invention
  • L'invention concerne un nouveau brûleur poreux à hydrogène destiné à équiper différents types de fours nécessitant un contrôle précis du flux thermique, en particulier les fours de vaporeformage du gaz naturel ou de naphta destinés notamment à la production d'hydrogène.
  • L'expression brûleur à hydrogène doit être entendue dans un sens large et signifie que le combustible du présent brûleur peut être de l'hydrogène pur, mais plus généralement tout gaz contenant de l'hydrogène.
  • Le comburant peut être tout gaz contenant de l'oxygène, en particulier de l'air mais aussi de l'air enrichi ou appauvri en oxygène. Le comburant peut même dans un cas particulier être de l'oxygène pur.
  • Ce nouveau brûleur rentre dans la catégorie des brûleurs poreux sans pré mélange, car il possède un élément poreux séparant le côté combustible du côté comburant, la combustion ayant lieu soit à l'intérieur du poreux, soit au voisinage de sa surface externe.
  • Plus précisément, le brûleur objet de la présente invention est un brûleur poreux au sens où le combustible et le comburant sont introduits de part et d'autre d'un élément poreux (également appelé "poreux" par la suite), la surface interne de l'élément poreux étant au contact du combustible, et la surface externe de l'élément poreux étant au contact du comburant.
  • Le combustible et le comburant diffusent chacun de leur côté du poreux et se rencontrent:
    • soit à l'intérieur dudit poreux selon une certaine surface de chauffe sur laquelle va se développer une combustion interne. On parle alors de fonctionnement en mode radiant ou de brûleur radiant.
    • soit au voisinage de la surface externe du poreux côté comburant.
  • Les avantages d'un brûleur poreux par rapport à un brûleur produisant une flamme, que cette flamme soit une flamme de diffusion ou de prémélange, sont :
    • une réduction des émissions polluantes
    • une combustion selon une géométrie plus contrôlée que celle d'une combustion à flamme qui peut poser en outre des problèmes de stabilité,
    • une durabilité des équipements nettement améliorée car une combustion diluée limite le risque de points chauds,
    • la possibilité d'incorporer au sein de l'élément poreux un catalyseur de combustion permettant d'abaisser la température de combustion jusqu'à une valeur voisine de 500°C.
  • Le brûleur selon l'invention est donc un brûleur poreux, sans prémélange, possédant en outre un organe de distribution du combustible qui permet de contrôler le flux thermique selon la dimension principale dudit brûleur que nous appellerons conventionnellement longueur du brûleur.
  • Le contrôle du flux thermique se réalise par un ensemble d'orifices percés à la surface du distributeur et regroupés dans des tronçons. Chaque tronçon regroupe les orifices de même diamètre.
  • La distribution de ces orifices tout au long du distributeur fait partie intégrante de l'invention. En général, le brûleur selon la présente invention possédera un distributeur de combustible ayant au moins deux tronçons, chaque tronçon étant caractérisé par un diamètre d'orifices donné et occupant une certaine fraction de la longueur L du brûleur.
  • Il convient de noter que le combustible et le comburant arrivant par les deux côtés opposés de l'élément poreux, ce dernier ne joue pas le rôle d'un organe de pré mélange, mais au contraire d'une zone de séparation du combustible et du comburant.
  • Par ailleurs, les conditions hydrodynamiques, et notamment la vitesse du combustible dans l'espace annulaire séparant le distributeur de l'élément poreux, joue un rôle important puisque la stabilité de la flamme est assurée dans un intervalle restreint de débits. Si le débit est trop faible, la flamme peut s'éteindre, tandis que si le débit est excessif, la flamme peut être soufflée.
    • Examen de l'art antérieur
  • L'art antérieur dans le domaine des brûleurs poreux est très vaste et on se limitera aux brevets qui font état d'un combustible hydrogène, ou majoritairement hydrogène, en respectant une géométrie globalement cylindrique.
  • Le brevet US 5,810,577 décrit un brûleur catalytique poreux comportant deux chambres de combustion la première chambre de combustion étant alimentée par le combustible et la seconde chambre étant alimentée par l'effluent de combustion issu de la première chambre, les deux chambres étant séparées par une barrière catalytique poreuse, d'une porosité supérieure à 50 %, et ayant une taille de pores comprise entre 1 nm et 1 mm, l'épaisseur de la dite barrière étant comprise entre 0,05 et 10mm.
  • Le brevet US 6,699,032 décrit un dispositif pour le stockage d'un gaz combustible qui comprend un système de combustion des gaz s'échappant au travers d'une soupape de sécurité, le dit système de combustion consistant en un brûleur comportant un corps poreux entourant un distributeur de combustible. La distribution du combustible est uniforme et le corps poreux joue le rôle d'une zone de diffusion ou de mélange entre le combustible et le comburant.
  • Le brevet WO 2006/071350 A décrit une pile à combustible faisant appel à un système de combustion catalytique en vue de réaliser une combustion entre hydrogène et oxygène.
    • Description sommaire des figures
    • La figure 1 représente une vue du brûleur selon l'invention dans sa version en simple tube.
    • La figure 2 représente une vue du brûleur selon l'invention dans une version plus élaborée dans laquelle le comburant est introduit dans un premier espace attenant à l'élément poreux, et les fumées issues de la combustion sont récupérées dans un second espace entourant le premier espace.
    • La figure 3 représente une vue plus précise du distributeur de combustible et un exemple de profil de flux thermique résultant.
    • La figure 4 donne une représentation schématique d'un arrangement de brûleurs selon l'invention au sein d'un ensemble de tubes à chauffer.
    • La figure 5 est une courbe donnant la variation de la vitesse radiale du combustible à la surface externe de l'élément poreux selon l'axe longitudinal du brûleur. La courbe en trait pointillé correspond à une distribution d'orifice uniforme, et la courbe en trait plein correspond à une distribution d'orifices selon l'invention. Elle est détaillée dans le cadre de l'exemple ci-après.
    • La figure 6 représente l'évolution de la consommation d'hydrogène Y(H2), selon la direction joignant le centre du brûleur à celui du tube à chauffer, dite direction centre à centre et est également détaillée dans le cadre de l'exemple ci-après.
    • La figure 6 représente l'évolution de la consommation d'hydrogène Y(H2), selon la direction joignant le centre du brûleur à celui du tube à chauffer, dite direction centre à centre et est également détaillée dans le cadre de l'exemple ci-après.
    Description sommaire de l'invention
  • Le brûleur à hydrogène selon la présente invention est un brûleur sans prémélange, de géométrie cylindrique de longueur L et de diamètre D, avec un rapport L/D compris entre 10 et 500, et préférentiellement compris entre 30 et 300. Le brûleur selon l'invention possède un distributeur central d'hydrogène avec une répartition d'orifices non uniforme, et possède un élément poreux de forme annulaire entourant le distributeur central au moins sur toute sa longueur L, l'épaisseur dudit élément poreux étant comprise entre 0,1 et 2 cm, la surface interne dudit poreux étant située à une distance du distributeur central comprise entre 0,5 cm et 10 cm.
  • Le distributeur du brûleur selon la présente invention est divisé en un certain nombre de tronçons, la longueur de chaque tronçon variant de 10 mm à 2 m, et préférentiellement de 20 mm à 1,5 m.
  • Le brûleur à hydrogène, selon la présente invention possède un distributeur central de combustible, ledit distributeur central est divisé en au moins deux tronçons, chaque tronçon ayant des orifices de même diamètre, et au moins un tronçon ayant des orifices d'un diamètre différent de celui des autres tronçons.
  • Selon l'invention, le distributeur central est divisé en au moins deux tronçons, chaque tronçon ayant des orifices de diamètre croissant avec la distance axiale le long du distributeur, dans le sens d'écoulement du combustible.
  • De manière préférée, le distributeur central est divisé en au moins deux tronçons, chaque tronçon ayant des orifices de diamètre croissant selon une loi de type exponentiel, dans le sens de l'écoulement du combustible.
  • La distance centre à centre des orifices d'un même tronçon est généralement comprise entre 0,5 cm et 50 cm, et préférentiellement entre 1 cm et 20 cm.
  • La longueur L du brûleur est généralement comprise entre 2 et 15 m, et préférentiellement comprise entre 5 et 12 mètres.
  • L'élément poreux faisant partie intégrante du brûleur selon l'invention présente de préférence une porosité d'au moins 50%, et plus préférentiellement d'au moins 80%.
  • L'élément poreux peut dans certains cas posséder au moins deux zones de porosité différente.
  • Le combustible, généralement de l'hydrogène, est de préférence introduit dans le distributeur central à une pression comprise entre 0, 1 et 10 MPa.
  • Selon une variante du brûleur selon l'invention, le comburant est de manière préférée introduit dans un premier espace annulaire entourant l'élément poreux du brûleur, et les gaz de combustion sont collectés dans un second espace annulaire entourant le premier espace annulaire.
  • Le comburant circule de préférence selon une direction sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du brûleur à une vitesse comprise entre 1 m/s et 100 m/s, et préférentiellement de 3 à 80 m/s.
  • La vitesse radiale moyenne du combustible rapportée à la surface interne du poreux est généralement comprise entre 2 mm/s et 100 cm/s, et préférentiellement entre 0,5 cm/s et 10 cm/s.
  • Le brûleur selon la présente invention peut s'appliquer à tout type de four nécessitant un chauffage bien contrôlé des tubes sur toute leur longueur, en particulier à des fours de vaporeformage de gaz naturel ou de naphta.
    • Description détaillée de l'invention
  • La description détaillée du brûleur selon l'invention est réalisée au moyen de la figure 1 dans la version de base et de la figure 2 dans la version élaborée.
  • La figure 3 donne une vue plus précise du distributeur de combustible et est valable aussi bien dans la configuration de base que dans la configuration évoluée.
  • Les numéros utilisés sont les mêmes lorsqu'ils désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure.
  • Le brûleur dans sa version de base comprend:
    1. a) un distributeur de combustible central (1) comportant un certain nombres d'orifices (8) regroupés en famille, une famille correspondant à un diamètre d'orifice donné.
  • Le distributeur sera généralement de forme cylindrique avec un rapport L/D compris entre 10 et 500.
  • Dans le cadre de la présente invention, ce distributeur est alimenté par le combustible qui est disponible à une pression de préférence comprise entre 0,1 et 10 MPa.
  • Le combustible peut être n'importe quel gaz combustible contenant de l'hydrogène en proportion quelconque, et être éventuellement de l'hydrogène pur.
    b) un élément poreux (2) de forme annulaire entourant le distributeur central au moins sur toute la longueur dudit distributeur, et ayant une épaisseur comprise entre 0,1 et 2 cm, la distance séparant le distributeur de la surface interne de l'élément poreux étant comprise entre 0,5 et 10 cm. La surface interne est définie comme étant celle qui est la plus proche du distributeur.
  • L'élément poreux entoure le distributeur au sens où il possède au moins la même longueur que le distributeur, et dans certains cas, une longueur plus importante qui permet de dégager un espace entre l'extrémité du distributeur et la paroi interne dudit poreux permettant d'améliorer le degré de combustion du gaz de combustion. La porosité de l'élément poreux est au moins de 50% et préférentiellement supérieure à 80 %. Ladite porosité est définie comme le rapport du volume vide au volume géométrique d'une partie quelconque de l'élément poreux.
  • Cette porosité est généralement homogène sur l'ensemble de la longueur de l'élément poreux, mais il est possible de la différencier sur certains éléments de longueur. Par exemple on peut avoir une première fraction de la longueur du poreux avec une porosité P1 et une seconde fraction de la longueur du poreux avec une porosité P2 différente de P1.
  • Cet élément poreux sera typiquement composé d'une mousse métallique faite d'un alliage de différents métaux dont par exemple le fer, le chrome, l'aluminium, le titane ou le zirconium, et dans certains cas l'yttrium. Un exemple d'un tel alliage est le matériau FeCrAIY commercialisé par la société PORVAIR. L'élément poreux peut également être constitué d'une mousse céramique, par exemple en mullite ou en cordiérite.
  • La taille des pores est généralement comprise entre 0,2 et 0,6 mm.
  • L'espace séparant le distributeur (1) de l'élément poreux (2), appelé espace annulaire (3), joue un rôle important dans le fonctionnement du brûleur selon l'invention puisque le combustible issu du distributeur possède une certain profil longitudinal de flux qu'il doit conserver au mieux à l'entrée dans l'élément poreux. Pour ce faire, la vitesse linéaire du combustible à l'intérieur de l'espace annulaire doit de préférence avoir une valeur suffisamment élevée, car il est connu que des vitesses trop faibles favoriseraient la diffusion longitudinale du combustible à l'intérieur de l'espace annulaire (3).
  • Par ailleurs, l'obtention de la combustion à l'intérieur de l'élément poreux ou au voisinage de sa surface externe, est généralement plus facilement réalisée lorsque la vitesse du combustible à l'intérieur de l'élément poreux reste de préférence supérieure à la vitesse de diffusion du comburant.
  • De préférence, la vitesse du combustible ne doit néanmoins pas dépasser une valeur limite pour permettre au comburant de diffuser à l'intérieur de l'élément poreux.
  • La prise en compte et l'optimisation de ces deux conditions conduisent à adopter une vitesse du combustible à l'entrée de l'élément poreux comprise entre 2 mm/s et 1,0 m/s, et préférentiellement comprise entre 0,5 cm/s et 10 cm/s. Cette vitesse est précisément définie comme la vitesse prise selon un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal du brûleur, qu'on appellera conventionnellement vitesse radiale. Cette vitesse est donc normale à la surface du poreux.
  • Dans la version évoluée du brûleur selon l'invention, le volume extérieur à l'élément poreux (2) est divisé au moyen d'une paroi (6) sensiblement parallèle à la surface externe de l'élément poreux (2) et de forme sensiblement cylindrique, en un premier espace (4) compris entre la surface externe de l'élément poreux (2) et ladite paroi (6), et un second espace (5) correspondant au volume situé à l'extérieur de la paroi (6).
  • Ce volume extérieur à la paroi (6) peut être limité par une seconde paroi (7) sensiblement parallèle à la paroi (6) et délimitant entre ladite paroi (6) et la dite paroi (7) le second espace (5). De manière préférée, ce second espace (5) sera un espace communiquant avec le premier espace (4) par sa partie inférieure, la paroi sensiblement verticale (7) étant alors reliée à une paroi sensiblement horizontale (8), les parois (7) et (8) constituant alors une enceinte enfermant le brûleur selon l'invention.
  • Dans la version élaborée du brûleur selon la présente invention, le comburant est admis dans l'espace (4), rejoint le combustible à l'intérieur de l'élément poreux (2) ou au voisinage de la surface externe dudit élément poreux (2) en produisant une combustion qui génère des gaz de combustion qui se retrouvent dans le premier espace (4) et sont évacués en passant dans le second espace (5).
  • De préférence la vitesse linéaire du comburant introduit dans l'espace (4) est comprise entre 1 et 100 m/s et préférentiellement entre 3 m/s et 80 m/s, et la vitesse linéaire de circulation des gaz de combustion dans l'espace (5) est de préférence comprise entre 2 et 150 m/s.
    • Exemple illustrant l'invention
  • L'exemple suivant est destiné à démontrer les effets du brûleur selon l'invention du point de vue de la consommation de combustible et de la température selon une direction joignant les centres du brûleur et du tube destiné à être chauffé.
  • Dans une application du brûleur au chauffage des tubes d'un réacteur de vaporéformage de méthane, la configuration géométrique est présentée sur la figure 4.
  • Des tubes (T) contenant le fluide à chauffer et des brûleurs selon l'invention (B) sont disposés en quinconce avec un pas carré.
  • La distance séparant le centre du brûleur du centre du tube à chauffer est de 210 mm.
  • La longueur des brûleurs est de 12 mètres, le distributeur de chacun des brûleurs ayant une longueur de 10 mètres.
  • Le rapport L/D de chaque brûleur est de 120. La distance entre le distributeur et la paroi interne de l'élément poreux est de 15 mm.
  • L'épaisseur de l'élément poreux est de 1 cm.
  • Le distributeur est divisé en 10 tronçons de longueur 1m. Chaque tronçon génère une surface totale des orifices disposés sur le tronçon considéré.
  • Un tronçon est défini comme une portion de distributeur ayant des orifices de même diamètre.
  • La surface totale des orifices de distribution est précisée dans le tableau 2 dans 2 cas:
    • Le cas 1 correspond à des orifices de taille uniforme sur l'ensemble du distributeur. La surface de l'ensemble des orifices correspondant à un tronçon de 1m est de 15,7 cm2. Ce cas ne correspond pas à l'invention. Il est donné à titre comparatif.
    • Le cas 2 correspond à des orifices de taille croissante selon la distance longitudinale du brûleur, la croissance de la surface totale des orifices d'un tronçon au suivant étant de type exponentielle.
  • Les débits de réactifs et les conditions de température et de pression sont indiqués dans le tableau 1.
  • La figure 5 montre que dans le premier cas, la vitesse radiale (Ur) du combustible à la surface externe de l'élément poreux présente une variation importante le long de l'axe longitudinal (d) du brûleur. La courbe correspondant au premier cas est en pointillé sur la figure 5.
  • Dans le second cas, du fait de la loi de distribution des orifices, la vitesse radiale (Ur) du combustible est beaucoup plus homogène tout au long de l'axe longitudinal (d) du brûleur. Cette meilleure homogénéité de la vitesse radiale (Ur) assure un flux de chaleur sensiblement constant tout au long du tube. La courbe correspondant à ce second cas est en trait plein sur la figure 5. Ce point est particulièrement important avec des tubes dont la longueur est de 12 mètres.
  • La figure 6 représente l'évolution de la consommation d'hydrogène Y(H2), selon la direction joignant le centre du brûleur à celui du tube à chauffer, dite direction centre à centre. L'origine des distances (r) selon cette direction est conventionnellement choisie à la surface externe de l'élément poreux du brûleur considéré. Les valeurs Y(H2) se lisent en ordonnée sur la gauche de la figure 6.
  • La figure 6 montre que la quantité d'hydrogène Y(H2), diminue rapidement selon la direction centre à centre. Pratiquement 90 % de l'hydrogène introduit est consommé sur une distance de 10 mm, ce qui signifie par voie de conséquence, que la zone de combustion se situe à proximité du poreux. On est donc dans le cas d'une combustion bien localisée.
  • La figure 6 montre également (sur la droite de la figure 6) l'évolution de la température T des gaz de combustion selon la direction centre à centre (0°C= 273 K).
  • Cette température présente un maximum de 1800 K au voisinage de la surface externe de l'élément poreux, soit dans le cas de l'exemple, à 10 mm de la dite surface externe. La température T diminue ensuite jusqu'à atteindre une valeur inférieure ou égale à 1200 K. Cette valeur est compatible avec des matériaux non réfractaires, ce qui est particulièrement intéressant dans le choix de la métallurgie des tubes et dans l'économie du procédé. Tableau 1
    Comburant Combustible
    Pression absolue (MPa) 0,43 0,43
    Débit massique (kg.s-1) 1,084 0,00848
    T entrée (°C) 800 800
    Composition (% massique)
    14,6% O2 47,8% H2
    8,8% H2O 25,7% CH4
    1,4% CO2 1,7% CO
    23,0% CO2
    Tableau 2
    Tronçon 0-1m 1-2m 2-3m 3-4m 4-5m 5-6m 6-7m 7-8m 8-9m 9-10m
    Surface totale des trous sur le tronçon cas 1 (cm2) 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7
    Surface totale des trous sur le tronçon cas 2 (cm2) 1,57 3,45 5,12 7,59 11,3 16,7 24,8 36,7 54,4 80,7

Claims (12)

  1. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, de géométrie cylindrique de longueur L et de diamètre D, avec un rapport L/D compris entre 10 et 500, et préférentiellement compris entre 30 et 300, possédant un distributeur central d'hydrogène (1) avec une répartition d'orifices (8) non uniforme, et possédant un élément poreux (2) de forme annulaire entourant le distributeur central (1) au moins sur toute sa longueur L, ladite longueur L étant comprise entre 2 et 15 mètres, et la porosité dudit élément poreux étant supérieure à 50%, l'épaisseur dudit élément poreux (2) étant comprise entre 0,1 et 2 cm, la surface interne dudit poreux (2) étant située à une distance du distributeur central (1) comprise entre 0,5 cm et 10 cm, le distributeur central (1) étant divisé en au moins deux tronçons, chaque tronçon ayant des orifices de même diamètre, les diamètres des orifices d'un tronçon étant plus grand que tous les diamètres des orifices d'un tronçon précédent dans le sens d'écoulement du combustible, et chaque tronçon ayant une longueur variant entre 10 mm et 2 mètres.
  2. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, selon la revendication 1, dans lequel chaque tronçon du distributeur central (1) a des orifices de diamètre croissant selon une loi de type exponentiel dans le sens de l'écoulement du combustible.
  3. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la longueur L du distributeur central (1) est comprise entre 5 et 12 mètres.
  4. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la distance centre à centre des orifices d'un même tronçon est comprise entre 0,5 cm et 50 cm, et préférentiellement comprise entre 1 cm et 20 cm.
  5. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'élément poreux (2) a une porosité d'au moins 80%.
  6. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément poreux (2) possède au moins deux zones de porosité différente.
  7. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, adapté pour que l'hydrogène soit introduit dans le distributeur central (1) à une pression comprise entre 0,1 et 10 MPa.
  8. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le comburant est introduit dans un premier espace annulaire (4) entourant l'élément poreux (2) du brûleur, et les gaz de combustion sont collectés dans un second espace annulaire (5) entourant le premier espace annulaire (4).
  9. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, adapté pour que le comburant circule selon une direction sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du brûleur à une vitesse comprise entre 1 m/s et 100 m/s, et préférentiellement de 3 m/s à 80 m/s.
  10. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, adapté pour que la vitesse radiale moyenne du combustible rapportée à la surface interne du poreux (2) soit comprise entre 2 mm/s et 100 cm/s, et préférentiellement entre 0,5 cm/s et 10 cm/s.
  11. Brûleur à hydrogène, sans prémélange, selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le distributeur est divisé en un certain nombre de tronçons, la longueur de chaque tronçon variant de 20 mm à 1,5 mètre.
  12. Application du brûleur à hydrogène sans prémélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 à un four de vaporéformage de gaz naturel ou de naphta.
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