EP3147565B1 - Dispositif de suppression d'un panache de fumées, installation de rejet de fumées à l'atmosphère comprenant un tel dispositif, et navire marin correspondant - Google Patents

Dispositif de suppression d'un panache de fumées, installation de rejet de fumées à l'atmosphère comprenant un tel dispositif, et navire marin correspondant Download PDF

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EP3147565B1
EP3147565B1 EP16191011.2A EP16191011A EP3147565B1 EP 3147565 B1 EP3147565 B1 EP 3147565B1 EP 16191011 A EP16191011 A EP 16191011A EP 3147565 B1 EP3147565 B1 EP 3147565B1
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EP
European Patent Office
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pipe
fumes
casing
installation according
openings
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EP3147565A1 (fr
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Bernard Siret
Frank Tabaries
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LAB SAS
Original Assignee
LAB SAS
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23JREMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/08Arrangements of devices for treating smoke or fumes of heaters
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23JREMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J11/00Devices for conducting smoke or fumes, e.g. flues 
    • F23J11/04Devices for conducting smoke or fumes, e.g. flues  in locomotives; in road vehicles; in ships
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23LSUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L17/00Inducing draught; Tops for chimneys or ventilating shafts; Terminals for flues
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23JREMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2900/00Special arrangements for conducting or purifying combustion fumes; Treatment of fumes or ashes
    • F23J2900/15004Preventing plume emission at chimney outlet

Definitions

  • the present invention relates to an installation for discharging fumes to the atmosphere, comprising a plume suppression device. It also relates to a marine vessel comprising such an installation.
  • WO 2012/100074 proposes to heat combustion fumes using residual heat.
  • the complete suppression of the plume requires a significant energy expenditure when the fumes contain more than 15% of water or the ambient air is very cold. This document therefore reduces the plume, as in the figure 2 rather than delete it completely as in the figure 3 .
  • US 8,721,771 describes a condensation system, to remove fumes from water by condensation.
  • such a system is not convenient and it is often preferred or even almost obliged to heat the fumes by mixing.
  • EP 0 040 166 , US 4,149,453 and DE 21 23 220 propose to arrange a plenum around an intermediate portion of a flue gas duct: this plenum communicates with the interior of the duct through openings through the wall of the aforementioned part of this duct.
  • this hot air is evenly distributed in the plenum, and then enters the duct, via the openings, in the form of respective jets which are directed towards the center of the plenum. leads.
  • these jets of hot air tend to converge the fumes towards the center of the duct, while mixing completely with the fumes to raise the temperature.
  • US 3,566,768 and EP 2,609,995 propose, for their part, to also arrange a plenum around a flue gas duct, but by placing this plenum around the upper outlet of this duct.
  • the plenum does not communicate with the interior of the duct, but its upper end opens on the outside so that by sending up hot air at overpressure at the base of the plenum, this hot air comes out of the plenum through its upper end, forming, only above the duct, a stream of hot gas belting the jet of fumes exiting the duct.
  • DE 22 38 790 also proposes to provide a plenum between a flue and an external pipe, with several specificities.
  • hot air is introduced at the base of the plenum tangentially and thus rotates around the base of the flue gas duct, before flowing upwards along the duct whose height is provided equal to between three and five times the diameter of the external tubing.
  • the plenum of DE 22 38 790 does not communicate with the inside of the flue gas duct: at the upper outlet of the plenum, the hot air exits the plenum above the duct, through a horizontal annular passage.
  • the external pipe extends well above the upper outlet of the flue gas duct, so that, inside the upper part of the outer pipe, the hot air exiting the plenum via the annular passage and the fumes exiting the evacuation pipe mix together under the effect of the turbulence of these fumes so that the resulting gas mixture has a high homogeneous temperature and, hence, dries out, before this mixture exits the atmosphere. atmosphere, via the upper outlet of the external tubing.
  • this installation seeks to mix the fumes to evacuate with hot air before their release to the atmosphere.
  • the object of the present invention is to provide a device for removing the plume at least partially or totally, under economic and practical conditions.
  • the subject of the invention is an installation for discharging fumes into the atmosphere, as defined in claim 1.
  • a hot gas that is to say a gas, for example air, which is hotter than the fumes to be rejected
  • a dedicated duct around the duct evacuation of fumes into the atmosphere, so that the hot gas rotates around the conduit, more precisely around a portion of the latter having a substantially circular profile.
  • the hot gas passes from the internal volume of the sheath inside the conduit: providing that these openings are distributed around the circular profile portion of the conduit and that the total sum of their passage section is between 0.05 and 0.4 times the passage section of the aforementioned part of the duct, the hot gas enters the duct partially retaining its rotating kinematic, but inside the duct , which forms, directly against the inner face of the duct, a peripheral gas stream which is hot compared to a central cold vein through which the central longitudinal axis of the duct passes.
  • the rotating movement of the hot gas in the sheath causes this hot gas to not radially enter the duct, but with a tangential component which maintains the rotating effect inside the duct and stabilizes the duct layer.
  • hot gas thus created against the inner face of the duct downstream of the openings.
  • the central vein is composed almost exclusively or exclusively of the fumes to be rejected while the peripheral vein consists of a mixture between the fumes and the hot gas distributed by the sheath, the portion of the hot gas in this mixing is significant, even majority, or almost exclusive.
  • a vein consisting of a mixture between the fumes and the hot gas is present, a temperature gradient being established in this intermediate vein.
  • the hot peripheral vein creates, as it were, a gaseous shielding which delays the moment of contact between the fumes to be rejected, predominantly maintained inside this shielding gaseous in the central vein, and the cold air of the external atmosphere.
  • This shielding increases all the empty space of plume between the outlet mouth of the duct and the zone of appearance of the plume, as on the figure 2 , or even avoids the visible appearance of a plume, as on the figure 3 .
  • the device and the installation according to the invention do not seek to achieve a homogeneous mixture between the fumes to be rejected and the hot gas in order to raise the common temperature of this mixture, but, on the contrary, stratify the temperature profile of the gaseous flow flowing in the discharge duct downstream of the duct, this gaseous flow having inhomogeneous temperatures, densities and viscosities in the sense that the peripheral vein, resembling an external gaseous sheath, protects the vein central, similar to an internal gas core, to delay the contact between the latter and the air of the atmosphere, the contact being located well beyond the outlet mouth of the conduit.
  • the device and the installation according to the invention are particularly compact, the whole device being light and compact, and they allow to partially or completely remove the plume of fumes from efficient and inexpensive way, including using as little hot gas as possible.
  • the invention also relates to a marine vessel, as defined in claim 12.
  • the conduit 20 is centered on a longitudinal axis X-X, the device 10 being located at an axial level of the conduit 20, between the inlet mouth of the latter, not shown, and its outlet mouth 21 to the atmosphere.
  • the location, along the axis XX, of the level of the duct 20 where the device 10 is located is irrelevant, the device 10 may also be located near the inlet mouth near the outlet mouth 21, or at an intermediate height between these mouths.
  • the inlet mouth of the duct 20, through which fumes to be discharged into the atmosphere penetrate inside the duct 20, is, upstream of the duct, connected to the outlet of a duct.
  • equipment producing fumes to be discharged for example at the outlet of a desulphurization washer to which are sent the exhaust gas of a propulsion engine of a marine vessel.
  • the X-X axis of the duct 20 extends, in use, substantially vertically, the fumes circulating in the duct between its inlet mouth and outlet mouth 21 being vertically upward.
  • the duct 20 thus typically constitutes a chimney.
  • the duct 20 has a transverse profile, that is to say a profile in a plane perpendicular to the axis XX, which is both circular, both internally and externally. , and constant over the entire height axial of the duct.
  • the duct 20 includes an axial portion 22 with a circular transverse profile.
  • the transverse profile of the duct 20, outside the aforementioned part 22, may have other geometries and / or not be constant in the direction of the axis XX.
  • the portion 22 of the conduit 20 is provided with through openings 23 which are visible on the Figures 5 and 6 .
  • Each of these openings 23 connects the inner and outer faces of the portion 22 of the conduit 20 to one another.
  • the openings 23 are distributed, preferably uniformly, all around the part 22. According to an advantageous characteristic of the invention, between six and twenty-four, preferably between eight and twelve, openings 23 are provided.
  • each of the openings 23 has a rectangular passage section.
  • other geometric shapes are possible for the passage sections of the openings 23.
  • the ratio between, on the one hand, the total sum of the sections respective passage openings 23 and, secondly, the passage section of the portion 22 of the conduit 20, in other words the circular internal section of this portion 22 worth ⁇ times the square of its internal radius, is between 0, 05 and 0.4.
  • the device 10 comprises a sheath 11 which, as is clearly visible on the Figures 4 to 6 , is designed to completely surround the portion 22 of the conduit 20.
  • the internal volume V11 of the sheath 11 is thus wound externally around the portion 22 of the conduit 20, covering all the openings 23.
  • This sheath 11 is provided with a mouth 12 input into its internal volume V11, as clearly visible on the figures 4 and 5 according to an advantageous characteristic of the invention, the passage section of this inlet mouth 12 is between 0.05 and 0.4 times the passage section of the portion 22 of the conduit 20.
  • the internal volume V11 of the sheath 11 forms a spiral wound around the portion 22 of the duct 20, the internal volume V11 narrowing gradually to as one moves away from his entry mouth 12, as clearly visible on the figure 5 .
  • the internal volume V11 preferably winds in a spiral or snail around the portion 22 of the conduit 20, its section being reduced as the winding of the sheath 11 around the conduit 20 from its mouth.
  • the internal volume V11 of the sheath 11 may, as a variant, not shown, be annular, with a substantially constant section around the duct 20.
  • the device 10 and / or the conduit 20 are made mainly, or even entirely, of a resin that withstands a temperature of at most 250 ° C.
  • the device 10 and the conduit 20 may form an integral assembly in one piece or the device 10 may be attached to a pre-existing chimney which then constitutes the conduit 20 as long as the openings 23 can be made in a part circular profile of this chimney, at the axial level of which the device 10 will be arranged.
  • F discharges typically combustion fumes loaded with moisture and having for example a temperature between 20 ° C and 65 ° C, flow vertically and upwardly in the conduit 20, from its inlet mouth to its mouth 21, as indicated by the arrows associated with the reference F on the figures 7 and 8 .
  • a gas G feeds the inlet mouth 12 of the sheath 11.
  • This gas G is hot, in the sense that it has a temperature strictly greater than that of the fumes F, the temperature difference between the gas G and the fumes F being several tens of degrees, for example between 45 ° C and 125 ° C.
  • this hot gas G feeds the sheath 11 via ad hoc supply means, especially designed to send to the inlet mouth 12 of the heated air at a temperature between 80 ° C and 250 ° C, preferably between 100 ° C and 150 ° C.
  • the hot gas G is channeled by the sheath 11 so as to turn around the portion 22 of the conduit 20. It is understood that the hot gas G flowing in the device 10 has a rotary movement relative to flue F circulating in the conduit 20, this rotating movement being oriented in a single direction of rotation about the axis XX.
  • the hot gas G enters the conduit 20 with a component tangential to the axis XX and, inside the conduit 20, the hot gas G thus forms, mixing only marginally or almost is zero with the fumes F, a peripheral gas stream V1 constituting an annular sheath which is centered on the axis XX and which covers the inner face of the conduit 20 downstream of the portion 22, as shown in FIGS. figures 7 and 8 .
  • the spiral shape advantageously allows a substantially constant speed to be maintained in the internal volume V11 of the sheath 11 as the hot gas G escapes inside the duct 20 through the openings 23.
  • the flue gas F from the upstream side of the part 22 is, at the level of the part 22 and then downstream of the latter, forced towards the middle of the duct 20, forming a central gas stream V2 in which the mixture with the hot gas G is only marginal or even substantially non-existent.
  • an intermediate gas stream V3 is formed radially between the peripheral vein V1 and the central stream V2, by substantial mixing between the fumes F and the hot gas G. Because of their respective compositions in fumes F and hot gas G, the veins V1, V2 and V3 have different respective temperatures: the peripheral vein V1 is much hotter than the central vein V2, the vein V3 having, for its part, a temperature gradient between the high temperature of the vein V1 and the low temperature vein V2.
  • an inhomogeneous temperature profile is naturally established in the duct 20.
  • the part of the gas stream located near the inner face of the duct 20 is hotter than the part of the duct. flow, located in the center of the duct.
  • This inhomogeneous temperature profile is maintained from the portion 22 of the conduit 20 to its outlet mouth 21 and, by conservation of the momentum, the thermal shielding of the central vein V2 through the peripheral vein V1 is extended to the outside the conduit 20, beyond the outlet mouth 21, delaying or even avoiding the appearance of a plume.
  • veins V1, V2 and V3 are schematized by different gray levels, being separated by dashed lines: this illustration is of course symbolic in the sense that, in practice, the veins V1, V2 and V3 are not materially separated from each other.
  • this illustration makes it possible to clearly understand the stratification of the gaseous flow in the conduit 20 downstream of the device 10, being noted that, as clearly visible on the figure 7 this stratification results, in section planes perpendicular to the axis XX, by concentric circular profiles at the interface between the veins V1 and V3 and at the interface between the veins V3 and V2.
  • an additional advantage provided by the invention is that the hot gas G distributed by the sheath 11 contributes to increasing the ejection speed at the outlet of the conduit 20, thus facilitating the dispersion of the fumes.
  • the effective passage section that can occupy the fumes F downstream of the portion 22 is decreased compared to the upstream of this part 22: as the fumes F no longer occupy, alone, the entire passage section of the conduit 20, they acquire a higher speed and, after being out of the conduit 20, disperse more easily.
  • the device 10 and the conduit 20 are used to limit the plume of fumes emitted by the propulsion diesel engine of a ship.
  • the fumes to reject F have a flow rate of 125,000 Nm 3 / h and a temperature of 20 to 50 ° C, being saturated with moisture at this temperature.
  • the hot gas G is air having a flow rate of 20,000 Nm 3 / h and a temperature of between 100 and 120 ° C.
  • the conduit 20 is made of a temperature-resistant resin and has an internal diameter of 1800 mm. Its passage section is thus 2.54 m 2 .
  • the sheath 11 is made of a resin resistant to temperature. This sheath has a spiral shape, as on the figure 5 .
  • the passage section of its inlet mouth 12 is 0.78 m 2 .
  • Eleven rectangular openings 23, 125 mm by 300 mm each, are provided in the portion 22 of the conduit 20.
  • the cumulative total of the respective passage sections of these openings 23 is equal to 0.41 m 2 .

Description

  • La présente invention concerne une installation de rejet de fumées à l'atmosphère, comprenant un dispositif de suppression de panache. Elle concerne aussi un navire marin comprenant une telle installation.
  • Les installations brûlant des combustibles fossiles, que ce soit pour une combustion de fioul dans un moteur, ou bien de charbon ou de fioul dans des centrales de production d'énergie, rejettent des fumées contenant de la vapeur d'eau ainsi que, généralement, des polluants tels que des oxydes de soufre résultant de la présence de soufre dans les combustibles brûlés. La simple présence de vapeur d'eau à des concentrations bien supérieures à celle qu'il y a dans l'atmosphère fait que, quand les fumées de combustion rejetées, chaudes et chargées en humidité, rencontrent une masse d'air froide, une condensation se produit, en formant un nuage de vapeur d'eau condensée, ce qui fait apparaître un panache visible au-dessus de la sortie du conduit, typiquement une cheminée, par lequel les fumées sont rejetées à l'atmosphère. La figure 1 illustre cette situation, les fumées à rejeter, le conduit d'évacuation de ces fumées et le panache étant respectivement référencés F, C et P sur la figure 1.
  • La formation d'un tel panache est dans certaines circonstances inadmissible de sorte que des mesures doivent être prises pour supprimer au moins partiellement, voire totalement ce panache.
  • Il est connu de l'homme du métier que pour atténuer ou supprimer un panache de vapeur d'eau, il suffit de remonter suffisamment la température des fumées pour que, lors de leur mélange avec l'air froid de l'atmosphère, le panache soit réduit, voire ne se forme pas. Cette élévation de température peut se faire soit avec des brûleurs ou des échangeurs de chaleur, qui réchauffent directement les fumées à rejeter, soit par mélange entre ces fumées et un gaz, par exemple de l'air, prévu plus chaud que les fumées. Il est également possible de retirer des fumées de l'eau par condensation, préalablement au rejet de ces fumées. En pratique, lorsque l'élévation de température des fumées à rejeter est modérée et/ou que l'humidité de ces fumées reste importante, le panache en sortie du conduit d'évacuation subsiste, mais apparait décollé en ce sens qu'il existe un espace vide de condensation, entre la bouche de sortie du conduit C et le nuage de condensation formant le panache P, comme illustré sur la figure 2. Par contraste, sur la figure 1, le panache P se forme immédiatement au-dessus de la bouche de sortie du conduit d'évacuation C, les fumées à rejeter F étant substantiellement humides et très peu ou pas réchauffées. En revanche, la figure 3 montre une situation de suppression totale du panache, obtenue par un accroissement plus important de température ou bien par un prémélange des fumées F avec beaucoup d'air sec et chaud : le panache n'apparait jamais.
  • WO 2012/100074 propose ainsi de réchauffer des fumées de combustion en utilisant de la chaleur résiduelle. En pratique, la suppression complète du panache exige une dépense énergétique importante lorsque les fumées contiennent plus de 15% d'eau ou que l'air ambiant est très froid. Ce document permet donc de réduire le panache, comme à la figure 2, plutôt que de le supprimer complètement comme à la figure 3. De son côté, US 8 721 771 décrit un système de condensation, permettant de retirer des fumées de l'eau par condensation. Toutefois, en particulier dans le cas d'installations embarquées, par exemple à bord d'un navire ayant un moteur diesel, un tel système n'est pas commode et il est souvent préféré, voire quasi obligé de réchauffer les fumées par mélange.
  • EP 0 040 166 , US 4 149 453 et DE 21 23 220 proposent d'agencer un plénum autour d'une partie intermédiaire d'un conduit d'évacuation de fumées : ce plénum communique avec l'intérieur du conduit par des ouvertures traversant la paroi de la partie précitée de ce conduit. En envoyant vers le haut de l'air chaud en surpression à la base de plénum, cet air chaud se répartit uniformément dans le plénum, puis pénètre dans le conduit, via les ouvertures, sous forme de jets respectifs qui sont dirigés vers le centre du conduit. Par effet de pression, ces jets d'air chaud tendent à faire converger les fumées vers le centre du conduit, tout en se mélangeant en totalité avec les fumées pour en élever la température. Ces solutions nécessitent donc une source d'air chaud conséquente et s'avère relativement encombrante, ce qui est difficilement exploitable à bord d'un navire.
  • US 3 566 768 et EP 2 609 995 proposent, quant à eux, d'agencer aussi un plénum autour d'un conduit d'évacuation de fumées, mais en plaçant ce plénum autour du débouché supérieur de ce conduit. Le plénum ne communique pas avec l'intérieur du conduit, mais son extrémité supérieure débouche sur l'extérieur de sorte qu'en envoyant vers le haut de l'air chaud en surpression à la base de ce plénum, cet air chaud sort du plénum au travers de son extrémité supérieure, en formant, uniquement au-dessus du conduit, une veine de gaz chaud ceinturant le jet de fumées sortant du conduit. Ces solutions sont particulièrement encombrantes, nécessitent d'être implantées à la sortie du conduit et ne sont performantes du point de vue de la surpression du panache que sous réserve de disposer d'une source d'air chaud considérable afin de stabiliser, au-dessus du débouché supérieur du conduit, la veine de gaz chaud précitée vis-à-vis du jet de fumées sortant du conduit et, le cas échéant, vis-à-vis du vent de l'atmosphère environnante.
  • DE 22 38 790 propose également de prévoir un plénum entre un conduit d'évacuation de fumées et une tubulure externe, avec plusieurs spécificités. D'abord, de l'air chaud est introduit à la base du plénum de manière tangentielle et tourne donc autour de la base du conduit d'évacuation de fumées, avant de circuler vers le haut le long de ce conduit dont la hauteur est prévue égale à entre trois et cinq fois le diamètre de la tubulure externe. Ensuite, comme dans US 3 566 768 et EP 2 609 995 , le plénum de DE 22 38 790 ne communique pas avec l'intérieur du conduit d'évacuation de fumées : au niveau du débouché supérieur du plénum, l'air chaud sort du plénum au-dessus du conduit, par un passage horizontal annulaire. Enfin, la tubulure externe se prolonge bien au-dessus du débouché supérieur du conduit d'évacuation de fumées, pour que, à l'intérieur de la partie haute de la tubulure externe, l'air chaud sortant du plénum via le passage annulaire et les fumées sortant du conduit d'évacuation se mélangent sous l'effet des turbulences de ces fumées de manière que le mélange gazeux en résultant présente une température homogène élevée et, par-là, s'assèche, avant que ce mélange ne sorte à l'atmosphère, via le débouché supérieur de la tubulure externe. Ainsi, cette installation, cherche à bien mélanger les fumées à évacuer avec de l'air chaud avant leur relargage à l'atmosphère.
  • Plus généralement, les mécanismes fondamentaux et la thermodynamique des panaches sont bien connus et sont par exemple expliqués dans l'article « Comment supprimer l'émission de panache au-dessus d'une tour de réfrigération humide » de JF LAVRARD, La Technologie Moderne, janvier 1976.
  • Le document EP 0 040 166 susmentionné est considéré comme l'état de la technique le plus proche.
  • Le but de la présente invention est de proposer un dispositif permettant de supprimer le panache au moins partiellement voire totalement, dans des conditions économiques et pratiques.
  • A cet effet, l'invention a pour objet une installation de rejet de fumées à l'atmosphère, telle que définie à la revendication 1.
  • Une des idées à la base de l'invention est de chercher à retarder autant que faire se peut le contact entre les fumées à rejeter et l'air froid de l'atmosphère. Pour ce faire, l'invention propose qu'un gaz chaud, c'est-à-dire un gaz, par exemple de l'air, qui est plus chaud que les fumées à rejeter, soit canalisé par une gaine dédiée autour du conduit d'évacuation des fumées dans l'atmosphère, de manière que ce gaz chaud tourne tout autour du conduit, plus précisément autour d'une partie de ce dernier ayant un profil sensiblement circulaire. De plus, via des ouvertures dédiées qui traversent le conduit d'évacuation au niveau de sa partie ceinturée par la gaine, le gaz chaud passe du volume interne de la gaine à l'intérieur du conduit : en prévoyant que ces ouvertures sont réparties tout autour de la partie à profil circulaire du conduit et que la somme totale de leur section de passage est comprise entre 0,05 et 0,4 fois la section de passage de la partie précitée du conduit, le gaz chaud pénètre dans le conduit en conservant partiellement sa cinématique tournante, mais à l'intérieur du conduit, ce qui forme, directement contre la face intérieure du conduit, une veine gazeuse périphérique qui est chaude comparativement à une veine froide centrale par laquelle passe l'axe longitudinal central du conduit. Ainsi, le mouvement tournant du gaz chaud dans la gaine fait que ce gaz chaud n'entre pas de manière radiale dans le conduit, mais avec une composante tangentielle qui maintient l'effet tournant à l'intérieur du conduit et qui stabilise la couche de gaz chaud ainsi créée contre la face intérieure du conduit en aval des ouvertures. En pratique, on comprend que la veine centrale est constituée quasi exclusivement, voire exclusivement des fumées à rejeter tandis que la veine périphérique est constituée d'un mélange entre les fumées et le gaz chaud distribué par la gaine, la part du gaz chaud dans ce mélange étant significative, voire majoritaire, voire quasi exclusive. Bien entendu, entre la veine périphérique chaude et la veine centrale froide, une veine constituée d'un mélange entre les fumées et le gaz chaud est présente, un gradient de température s'établissant dans cette veine intercalaire. Bien que les trois veines précitées ne soient pas matériellement séparées les unes des autres, la veine périphérique chaude créée, en quelque sorte, un blindage gazeux qui retarde le moment du contact entre les fumées à rejeter, majoritairement maintenue à l'intérieur de ce blindage gazeux dans la veine centrale, et l'air froid de l'atmosphère extérieure. Ce blindage augmente d'autant l'espace vide de panache entre la bouche de sortie du conduit et la zone d'apparition du panache, comme sur la figure 2, voire permet d'éviter l'apparition visible d'un panache, comme sur la figure 3. On comprend que le dispositif et l'installation conformes à l'invention ne cherchent pas à réaliser un mélange homogène entre les fumées à rejeter et le gaz chaud en vue d'élever la température commune de ce mélange, mais, au contraire, stratifient le profil de température du flux gazeux circulant dans le conduit d'évacuation en aval de la gaine, ce flux gazeux présentant des températures, densités et viscosités inhomogènes dans le sens où la veine périphérique, s'apparentant à un fourreau gazeux externe, protège la veine centrale, s'apparentant à un coeur gazeux interne, pour retarder le contact entre ce dernier et l'air de l'atmosphère, ce contact étant situé bien au-delà de la bouche de sortie du conduit. Ainsi, le dispositif et l'installation conformes à l'invention sont particulièrement compacts, l'ensemble du dispositif étant léger et peu encombrant, et ils permettent de supprimer partiellement voire totalement le panache des fumées de manière efficace et peu onéreuse, notamment en employant le moins de gaz chaud possible.
  • Des caractéristiques additionnelles de l'installation conforme à l'invention sont spécifiées aux revendications 2 à 11.
  • L'invention a également pour objet un navire marin, tel que défini à la revendication 12.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
    • les figures 1 à 3 sont des schémas illustrant trois situations différentes pour un panache de fumées, entre une situation sans contrôle du panache, montrée à la figure 1, et une situation de suppression complète du panache, montrée à la figure 3, en passant par une situation de suppression partielle du panache, montrée à la figure 2 ;
    • la figure 4 est une vue en perspective d'une installation conforme à l'invention ;
    • la figure 5 est une section selon le plan V de la figure 4 ;
    • la figure 6 est une coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5 ; et
    • les figures 7 et 8 sont des vues respectivement similaires aux figures 4 et 6, illustrant le fonctionnement de l'installation.
  • Sur les figures 4 à 6 est représenté un dispositif de suppression de panache 10 associé à un conduit d'évacuation de fumées 20.
  • Le conduit 20 est centré sur un axe longitudinal X-X, le dispositif 10 étant situé à un niveau axial du conduit 20, entre la bouche d'entrée de ce dernier, non représentée, et sa bouche 21 de sortie à l'atmosphère. En pratique, la localisation, le long de l'axe X-X, du niveau du conduit 20 où est situé le dispositif 10 est sans importance, le dispositif 10 pouvant aussi bien être situé à proximité de la bouche d'entrée qu'à proximité de la bouche de sortie 21, ou bien à une hauteur intermédiaire entre ces bouches.
  • De manière non représentée sur les figures, la bouche d'entrée du conduit 20, par laquelle des fumées à rejeter à l'atmosphère pénètrent à l'intérieur du conduit 20, est, en amont du conduit, raccordée à la sortie d'un équipement produisant les fumées à rejeter, par exemple à la sortie d'un laveur de désulfuration auquel sont envoyés les gaz d'échappement d'un moteur de propulsion d'un navire marin. En pratique, l'axe X-X du conduit 20 s'étend, en service, sensiblement à la verticale, les fumées circulant dans le conduit entre sa bouche d'entrée et sa bouche de sortie 21 étant verticalement ascendantes. Le conduit 20 constitue ainsi typiquement une cheminée.
  • Dans l'exemple de réalisation considéré sur les figures, le conduit 20 présente un profil transversal, c'est-à-dire un profil dans un plan perpendiculaire à l'axe X-X, qui est à la fois circulaire, tant intérieurement qu'extérieurement, et constant sur toute la hauteur axiale du conduit. Ainsi, au niveau axial du conduit 20 où est situé le dispositif 10, le conduit 20 inclut une partie axiale 22 à profil transversal circulaire. A titre de variante non représentée, le profil transversal du conduit 20, en dehors de la partie précitée 22, peut présenter d'autres géométries et/ou ne pas être constant dans la direction de l'axe X-X.
  • Pour des raisons qui apparaitront plus loin, la partie 22 du conduit 20 est pourvue d'ouvertures traversantes 23 qui sont visibles sur les figures 5 et 6. Chacune de ces ouvertures 23 relie l'une à l'autre les faces intérieure et extérieure de la partie 22 du conduit 20. Comme bien visible sur la figure 5, les ouvertures 23 sont réparties, de préférence de manière régulière, tout autour de la partie 22. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, entre six et vingt-quatre, de préférence entre huit et douze, ouvertures 23 sont prévues.
  • Suivant une forme de réalisation préférentielle, qui est mise en oeuvre dans l'exemple considéré sur les figures, chacune des ouvertures 23 présente une section de passage rectangulaire. A titre de variante non représentée, d'autres formes géométriques sont envisageables pour les sections de passage des ouvertures 23. Dans tous les cas, selon une caractéristique de l'invention, le rapport entre, d'une part, la somme totale des sections de passage respectives des ouvertures 23 et, d'autre part, la section de passage de la partie 22 du conduit 20, autrement dit la section interne circulaire de cette partie 22 valant π fois le carré de son rayon interne, est compris entre 0,05 et 0,4.
  • Le dispositif 10 comprend une gaine 11 qui, comme bien visible sur les figures 4 à 6, est conçue pour entourer en totalité la partie 22 du conduit 20. Le volume interne V11 de la gaine 11 est ainsi enroulé extérieurement autour de la partie 22 du conduit 20, en recouvrant toutes les ouvertures 23.
  • Cette gaine 11 est pourvue d'une bouche 12 d'entrée dans son volume interne V11, comme bien visible sur les figures 4 et 5 : selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la section de passage de cette bouche d'entrée 12 est comprise entre 0,05 et 0,4 fois la section de passage de la partie 22 du conduit 20.
  • Suivant une forme de réalisation préférentielle, qui est mise en oeuvre dans l'exemple de réalisation considéré ici, le volume interne V11 de la gaine 11 forme une spirale enroulée autour de la partie 22 du conduit 20, le volume interne V11 se rétrécissant progressivement au fur et à mesure qu'on s'éloigne de sa bouche d'entrée 12, comme bien visible sur la figure 5. Autrement dit, le volume interne V11 s'enroule préférentiellement en colimaçon ou en escargot autour de la partie 22 du conduit 20, sa section se réduisant au fur et à mesure de l'enroulement de la gaine 11 autour du conduit 20 depuis sa bouche d'entrée 12. Ainsi, une certaine similitude existe entre cette forme préférentielle de l'invention et ce qui se fait pour les entrées des séparateurs cycloniques. Ceci étant, plutôt que d'être conformé en spirale, le volume interne V11 de la gaine 11 peut, en variante non représentée, être annulaire, à section sensiblement constante autour du conduit 20.
  • Avantageusement, notamment pour des raisons économiques et pratiques, en particulier d'allégement de poids, le dispositif 10 et/ou le conduit 20 sont réalisés principalement, voire intégralement en une résine qui résiste à une température d'au plus 250°C.
  • En pratique, le dispositif 10 et le conduit 20 peuvent former un ensemble intégré d'un seul tenant ou bien le dispositif 10 peut être rapporté sur une cheminée préexistante qui constitue alors le conduit 20 du moment que les ouvertures 23 puissent être pratiquées dans une partie à profil circulaire de cette cheminée, au niveau axial de laquelle le dispositif 10 sera agencé.
  • L'utilisation du dispositif 10 et du conduit 20 va maintenant être décrit en regard des figures 7 et 8.
  • Des fumées à rejeter F, typiquement des fumées de combustion chargées en humidité et présentant par exemple une température comprise entre 20°C et 65°C, circulent de manière verticale et ascendante dans le conduit 20, depuis sa bouche d'entrée vers sa bouche de sortie 21, comme indiqué par les flèches associées à la référence F sur les figures 7 et 8.
  • Dans le même temps, un gaz G, de préférence de l'air, alimente la bouche d'entrée 12 de la gaine 11. Ce gaz G est chaud, dans le sens où il présente une température strictement supérieure à celle des fumées F, l'écart de température entre le gaz G et les fumées F étant de plusieurs dizaines de degrés, par exemple compris entre 45°C et 125°C. En pratique, ce gaz chaud G alimente la gaine 11 par l'intermédiaire de moyens d'alimentation ad hoc, notamment conçus pour envoyer jusqu'à la bouche d'entrée 12 de l'air chauffé à une température comprise entre 80°C et 250°C, de préférence entre 100°C et 150°C.
  • A l'intérieur du volume interne V11, le gaz chaud G est canalisé par la gaine 11 de manière à tourner autour de la partie 22 du conduit 20. On comprend que le gaz chaud G circulant dans le dispositif 10 présente un mouvement tournant par rapport aux fumées F circulant dans le conduit 20, ce mouvement tournant étant orienté dans un seul sens de rotation autour de l'axe X-X. Une partie de cette composante cinématique tournante du gaz chaud G est conservée lorsque le gaz chaud passe du volume interne V11 de la gaine 11 à l'intérieur du conduit 20, via les ouvertures 23 : le gaz chaud G pénètre dans le conduit 20 avec une composante tangentielle à l'axe X-X et, à l'intérieur du conduit 20, le gaz chaud G forme ainsi, en se mélangeant seulement de manière marginale voire quasi nulle avec les fumées F, une veine gazeuse périphérique V1 constituant un fourreau annulaire qui est centré sur l'axe X-X et qui recouvre la face intérieure du conduit 20 en aval de la partie 22, comme représenté sur les figures 7 et 8. La forme en spirale permet avantageusement de conserver une vitesse sensiblement constante dans le volume interne V11 de la gaine 11 au fur et à mesure que le gaz chaud G s'échappe à l'intérieur du conduit 20 par les ouvertures 23.
  • Les fumées F provenant de l'amont de la partie 22 se trouvent, au niveau de la partie 22 puis en aval de celle-ci, forcées vers le milieu du conduit 20, en formant une veine gazeuse centrale V2 dans laquelle le mélange avec le gaz chaud G est uniquement marginal, voire sensiblement inexistant. Comme illustré schématiquement sur les figures 7 et 8, une veine gazeuse intercalaire V3 se forme radialement entre la veine périphérique V1 et la veine centrale V2, par mélange substantiel entre les fumées F et le gaz chaud G. Du fait de leurs compositions respectives en fumées F et en gaz chaud G, les veines V1, V2 et V3 présentent des températures respectives différentes : la veine périphérique V1 est bien plus chaude que la veine centrale V2, la veine V3 présentant, quant à elle, un gradient de température entre la température haute de la veine V1 et la température basse de la veine V2. En d'autres termes, en aval de la partie 22, il s'établit naturellement dans le conduit 20 un profil de température inhomogène, la partie du flux gazeux, située près de la face intérieure du conduit 20 étant plus chaude que la partie du flux, située au centre du conduit. Ce profil de température inhomogène est maintenu de la partie 22 du conduit 20 jusqu'à sa bouche de sortie 21 et, par conservation de la quantité de mouvement, le blindage thermique de la veine centrale V2 par la veine périphérique V1 se prolonge à l'extérieur du conduit 20, au-delà de la bouche de sortie 21, en retardant voire en évitant l'apparition d'un panache.
  • Sur les figures 7 et 8, les veines précitées V1, V2 et V3 sont schématisées par des niveaux de gris différents, en étant séparées par des traits pointillés : cette illustration est bien entendu symbolique dans le sens où, en pratique, les veines V1, V2 et V3 ne sont pas matériellement séparées les unes des autres. Toutefois, cette illustration permet de bien comprendre la stratification du flux gazeux dans le conduit 20 en aval du dispositif 10, étant remarqué que, comme bien visible sur la figure 7, cette stratification se traduit, dans des plans de coupe perpendiculaires à l'axe X-X, par des profils circulaires concentriques à l'interface entre les veines V1 et V3 et à l'interface entre les veines V3 et V2.
  • Par ailleurs, un avantage supplémentaire apporté par l'invention est que le gaz chaud G, distribué par la gaine 11, contribue à augmenter la vitesse d'éjection en sortie du conduit 20, facilitant donc la dispersion des fumées. En effet, de par le gainage des fumées F par la veine périphérique V1 résultant du passage du gaz chaud à l'intérieur du conduit 20 par les ouvertures 23, la section de passage effective que peuvent occuper les fumées F en aval de la partie 22 est diminuée comparativement à l'amont de cette partie 22 : comme les fumées F n'occupent plus, à elles seules, la totalité de la section de passage du conduit 20, elles acquièrent une vitesse plus importante et, après être sorties du conduit 20, se dispersent plus facilement.
  • Exemple :
  • Le dispositif 10 et le conduit 20 sont utilisés pour limiter le panache des fumées émises par le moteur diesel de propulsion d'un navire. Les fumées à rejeter F présentent un débit de 125 000 Nm3/h et une température de 20 à 50°C environ, en étant saturée en humidité à cette température. Le gaz chaud G est de l'air présentant un débit de 20 000 Nm3/h et une température comprise entre 100 et 120°C.
  • Le conduit 20 est constitué d'une résine résistante à la température et présente un diamètre interne de 1800 mm. Sa section de passage est ainsi de 2,54 m2.
  • La gaine 11 est constituée d'une résine résistante à la température. Cette gaine présente une forme en spirale, comme sur la figure 5. La section de passage de sa bouche d'entrée 12 vaut 0,78 m2.
  • Onze ouvertures rectangulaires 23, de dimension 125 mm par 300 mm chacune, sont prévues dans la partie 22 du conduit 20. Le total cumulé des sections de passage respectives de ces ouvertures 23 est égal à 0,41 m2.

Claims (12)

  1. Installation de rejet de fumées à l'atmosphère, comprenant :
    - un conduit (20) d'évacuation des fumées (F) vers l'atmosphère, qui inclut une partie (22) ayant un profil transversal sensiblement circulaire et étant pourvue d'ouvertures traversantes (23) qui sont réparties tout autour de ladite partie et dont la somme totale des sections de passage est comprise entre 0,05 et 0,4 fois la section de passage de ladite partie, et
    - un dispositif (10) de suppression, partielle voire totale, d'un panache des fumées (F), le dispositif comprenant une gaine (11) de distribution d'un gaz chaud (G), qui est adaptée pour entourer en totalité ladite partie (22) du conduit (20) de sorte que du gaz chaud (G) entrant dans le volume interne (V11) de la gaine est canalisé par la gaine de manière à :
    - tourner autour de ladite partie (22) du conduit (20) en circulant dans la gaine selon un mouvement tournant par rapport aux fumées circulant dans le conduit, et
    - passer à l'intérieur du conduit via les ouvertures (23) de ladite partie du conduit de sorte que le gaz chaud qui passe ainsi à l'intérieur du conduit via les ouvertures conserve une partie dudit mouvement tournant et forme une veine gazeuse périphérique (V1), qui recouvre la face intérieure du conduit en aval de ladite partie du conduit et à l'intérieur de laquelle les fumée forment une veine gazeuse centrale (V2).
  2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le volume interne (V11) de la gaine (11) forme une spirale enroulée autour de ladite partie (22) du conduit (20), en se rétrécissant dans le sens de circulation tournante du gaz chaud (G) dans la gaine autour de ladite partie du conduit.
  3. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la gaine (11) est pourvue d'une bouche (12) d'entrée du gaz chaud (G) dans son volume interne (V11), cette bouche d'entrée présentant une section de passage qui est comprise entre 0,05 et 0,4 fois la section de passage de ladite partie (22) du conduit (20).
  4. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'entre six et vingt-quatre ouvertures (23) sont prévues dans ladite partie (22) du conduit (20).
  5. Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'entre huit et douze ouvertures (23) sont prévues dans ladite partie (22) du conduit (20).
  6. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chacune des ouvertures (23) présente une section de passage rectangulaire.
  7. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la gaine (11) est constituée d'une résine qui résiste à une température d'au plus 250°C.
  8. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le conduit (20) est constitué d'une résine qui résiste à une température d'au plus 250°C.
  9. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'installation comprend en outre des moyens d'alimentation de la gaine (11), adaptés pour alimenter la gaine avec de l'air chauffé à une température comprise entre 80°C et 250°C.
  10. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation sont adaptés pour alimenter la gaine (11) avec de l'air chauffé à une température comprise entre 100°C et 150°C.
  11. Installation suivant la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation sont conçus pour chauffer l'air alimentant la gaine (11) à une température strictement supérieure à celle des fumées (F), l'écart de température entre l'air et les fumées étant compris entre 45°C et 125°C.
  12. Navire marin, comprenant :
    - un moteur de propulsion,
    - un laveur de désulfuration auquel sont envoyés les gaz d'échappement du moteur de propulsion, et
    - une installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, qui rejette à l'atmosphère les fumées (F) sortant du laveur de désulfuration.
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