EP4643057A1 - Systeme de combustion apte a fonctionner avec un recyclage des fumees de combustion - Google Patents

Systeme de combustion apte a fonctionner avec un recyclage des fumees de combustion

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EP4643057A1
EP4643057A1 EP23841513.7A EP23841513A EP4643057A1 EP 4643057 A1 EP4643057 A1 EP 4643057A1 EP 23841513 A EP23841513 A EP 23841513A EP 4643057 A1 EP4643057 A1 EP 4643057A1
Authority
EP
European Patent Office
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combustion
recycling
dioxygen
combustion system
compressor
Prior art date
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Pending
Application number
EP23841513.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jaouad Zemmouri
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carbodown SAS
Original Assignee
Carbodown SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Carbodown SAS filed Critical Carbodown SAS
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Pending legal-status Critical Current

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    • F23N5/18—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to rate of flow of air or fuel
    • F23N5/184—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to rate of flow of air or fuel using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to the field of combustion with recycling of at least part of the combustion fumes.
  • So-called “classic” combustion consists of mixing air (oxidant) with a fuel in a combustion installation (oven, boiler, etc.) under high temperature conditions to create oxidation. The reaction is exothermic and maintains itself naturally.
  • the air contains 21% oxygen (O2) and the volume of air used is controlled so that the quantity of oxygen is sufficient for combustion.
  • combustion fumes include water vapor (H2O) and combustion products in the gas phase, including mainly dinitrogen (N2) in the gas phase, and carbon dioxide (CO2) in the gas phase.
  • H2O water vapor
  • N2 dinitrogen
  • CO2 carbon dioxide
  • combustion gas refers to combustion products in the gas phase which are released after combustion.
  • combustion In which the air (oxidizer) is replaced by dioxygen in stoichiometric proportions, the number of oxygen atoms being equal to that necessary to oxidize all the atoms of the fuel.
  • dioxygen to implement oxycombustion can for example be obtained in a known manner by cryogenics or by electrolysis of water.
  • combustion fumes are produced consisting of 1/3 CO2 in the gas phase and 2/3 water vapor by volume.
  • pollutants from combustion such as HCl, SOx, etc. If the fuel is not nitrogenous, advantageously the fumes will naturally not contain NOx.
  • the reactions are similar, with the appearance of other compounds if the fuel contains atoms other than carbon and hydrogen.
  • This improvement allows oxycombustion based on dioxygen with recycling of combustion fumes that is more easily controlled, compared to oxycombustion using only dioxygen as an oxidizer, while reducing the emission of pollutants compared to conventional combustion and facilitating where applicable, CO2 capture.
  • start-up and shutdown procedures of these installations are critical and risky operating phases and can detrimentally lead to oxycombustion temperatures, with recycling of combustion fumes, which are uncontrolled and too high in the combustion chamber.
  • the main objective of the invention is to propose a combustion system which can operate with recycling of at least part of the combustion fumes, but which makes it possible to overcome all or part of the above-mentioned disadvantages inherent in oxycombustion installations of the art. prior art which implements such recycling of combustion fumes.
  • the subject of the invention is thus a combustion system comprising a combustion device allowing the combustion of a fuel by means of at least one oxidizing gas and comprising an outlet through which it rejects combustion fumes, a supply unit in oxidizing gas which is connected to the combustion device and makes it possible to supply the combustion device with oxidizing gas, said oxidizing gas supply unit comprising a mixer and a source of gaseous dioxygen which supplies a gas rich in dioxygen and which is connected to a first inlet of the mixer, a main evacuation circuit connected to the outlet of the combustion device and opening into the open air, recycling means which comprise a recycling loop between the main evacuation circuit and a second mixer inlet, at least one recycling fan or compressor mounted on the recycling loop and adapted to circulate a gaseous fluid in the recycling loop towards the second mixer inlet from a connection of the recycling loop with the circuit main evacuation, a bypass which is connected to the recycling loop downstream of the recycling fan or compressor (that is to say between the recycling fan or compressor and the second inlet of the mixer)
  • Said bypass at least allows the mixer to be supplied with air entering the bypass.
  • the control unit is adapted to control the recycling fan or compressor so as to be able to configure the combustion system in an operating mode chosen from at least two different operating modes (M1; M2) and to be able to switch from one operating mode to another: a first operating mode (M1) in which the fan or recycling compressor is stopped and the mixer is not supplied with gas rich in dioxygen from the source of gaseous dioxygen and is supplied by air entering the bypass, and a second operating mode (M2), in which the recycling fan or compressor operates, and the mixer is supplied with at least gas rich in dioxygen supplied by the source of gaseous oxygen and with at least part of the combustion fumes rejected by the combustion device.
  • M1 operating mode chosen from at least two different operating modes
  • M2 second operating mode
  • the mixer is supplied at least with air sucked in via the bypass and all of the combustion fumes emitted by the combustion device are evacuated into the open air, possibly after having been treated, without being recycled.
  • the oxidizing gas contains at least air and does not contain dioxygen coming from the source of gaseous dioxygen. Combustion in the combustion device is thus conventional combustion.
  • the oxidizing gas preferably consists solely of air.
  • the oxidant gas contains at least gas rich in dioxygen coming from the source of gaseous dioxygen and at least part of the combustion fumes which has been recycled and which has preferably been treated ( before recycling or in the recycling loop), in particular by preferably being at least dehumidified.
  • combustion in the combustion device is oxycombustion type with recycling of at least part of the combustion fumes.
  • the oxidizing gas in a particular operating phase, subsequently designated “degraded oxycombustion”, may include air, which has been sucked into the ambient air via the bypass.
  • the oxidizing gas does not contain air sucked into the ambient air via the bypass.
  • the combustion device may be a common combustion device on the market or a particular combustion device which has been developed in a specific manner.
  • This combustion device can have air inlets at different injection points depending on the need for combustion.
  • the invention can more particularly be implemented without it being necessary to make any modification to this combustion device.
  • combustion system of the invention may include the following additional and optional characteristics, taken individually, or in combination with each other:
  • the combustion system further comprises at least one sensor which is adapted to at least measure the flow rate or the pressure of gaseous fluid leaving in the downstream part of the main evacuation circuit located downstream of the connection of the recycling loop with the main evacuation circuit and which delivers a pressure or flow measurement signal processed by the control unit.
  • the combustion system further comprises at least one sensor 60 which is adapted to at least measure the flow rate or the pressure of gaseous fluid leaving in the bypass 6, and which delivers a pressure or flow measurement signal processed by the unit control.
  • the control unit is suitable for controlling the fan or recycling compressor as a function of at least the flow rate or the pressure measured by said sensor during at least one operating mode with recycling of at least part of the combustion fumes.
  • the control unit is adapted to control at least the fan or recycling compressor, and where appropriate the device for controlling the flow rate of the gas rich in dioxygen, so as to be able to switch from one operating mode (M1 or M2 ) to the other (M2 or M1) without stopping combustion in the combustion device.
  • the source of gaseous dioxygen is connected to said first inlet of the mixer via a device for controlling the flow rate of the gas rich in dioxygen which is controlled by the control unit, and preferably which comprises a flow control valve which is controlled by the control unit.
  • the flow control valve is a progressive opening and closing valve.
  • the combustion system comprises at least one sensor adapted to measure the concentration of dioxygen in the oxidizing gas and the control unit is adapted to control the device for controlling the flow rate of the gas rich in dioxygen as a function of the measured dioxygen concentration by this sensor (at least during an operating mode (M2) with recycling of at least part of the combustion fumes.
  • M2 operating mode
  • the combustion device comprises a fan or compressor adapted to supply the combustion device with oxidant gas with a given flow rate (GC), which is preferably variable.
  • GC flow rate
  • the flow rate of fuel supply to the combustion device is variable and the combustion device comprises a fan or compressor adapted to supply the combustion device with oxidizing gas with a flow rate (GC) which varies as a function of the supply flow rate of the fuel combustion device.
  • the combustion system includes a combustion fume treatment device which is mounted on the main evacuation circuit.
  • the combustion system includes a device for treating recycled combustion fumes which is mounted on the recycling loop preferably between the recycling fan or compressor and the connection of the recycling loop with the main evacuation circuit.
  • the treatment device is suitable for dehumidifying combustion fumes.
  • the treatment device includes a condenser.
  • the condenser comprises at least one exchanger comprising a cooling liquid.
  • the exchanger comprises a bath of cooling liquid, and injection means making it possible to pass the gaseous fluid (to be dehumidified through this bath of cooling liquid (L), and preferably the injection means make it possible to inject the gaseous fluid to be dehumidified below the surface of this coolant liquid bath.
  • the treatment device is suitable for cleaning up combustion fumes and more particularly for capturing one or more pollutants chosen from the following list: fine particles, SOx, NOx, acids, heavy metals, ammonia, VOCs.
  • the combustion system comprises at least one sensor adapted to measure the concentration of dioxygen in the oxidizing gas and the control unit is adapted to control the device for controlling the flow rate of the gas rich in dioxygen and the recycling fan or compressor, as a function of the measured concentration of dioxygen in the oxidant gas, and preferably so as to move from an operating mode (M2) with recycling of at least part of the combustion fumes to an operating mode (M1) without recycling of combustion fumes.
  • M2 operating mode
  • the combustion system comprises a carbon dioxide (CO2) capture device, which is connected to the bypass and which is adapted to capture the carbon dioxide (CO2) in at least part of the outgoing recycled combustion fumes evacuated via said diversion and/or comprising a carbon dioxide (CO2) capture device, which is connected to the downstream part of the main evacuation circuit located downstream of the connection of the recycling loop with the main evacuation circuit and which is adapted to capture carbon dioxide (CO2) in at least part of the outgoing non-recycled combustion fumes evacuated via said downstream part of the main evacuation circuit.
  • CO2 carbon dioxide
  • the dioxygen-rich gas supplied by the source of gaseous dioxygen contains at least 50% dioxygen, preferably at least 80% dioxygen, and even more preferably at least 90% dioxygen.
  • the dioxygen-rich gas supplied by the gaseous dioxygen source is pure or almost pure dioxygen.
  • the combustion system comprises a carbon dioxide injection device connected to an inlet of the mixer and adapted to inject gaseous carbon dioxide (CO2) into the mixer during a particular phase ("degraded oxycombustion") of the mode operating mode (M2) with recycling of combustion fumes.
  • CO2 gaseous carbon dioxide
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first particular variant of realization of a combustion system of the invention.
  • Figure 2 represents the combustion system of Figure 1 in the first in operating mode M1 (“conventional combustion”);
  • Figure 3 represents the combustion system of Figure 1 in the second operating mode M2 (“oxycombustion with recycling”) and in a particular operating phase (“degraded oxycombustion”).
  • FIG. 5 is a schematic representation of a second particular embodiment of a combustion system of the invention.
  • Figure 6 represents the combustion system of Figure 5 in the first in operating mode M1 (“conventional combustion”);
  • Figure 7 represents the combustion system of Figure 5 in the second operating mode M2 (“oxycombustion with recycling”) and in a particular operating phase (“degraded oxycombustion”).
  • FIG. 8 represents the combustion system of Figure 5 in the second operating mode M2 (“oxycombustion with recycling”) and in another particular operating phase (“improved oxycombustion”).
  • FIG. 9 to 13 are schematic representations of five other particular embodiments of a combustion system of the invention.
  • FIG. 14 represents a particular example of a condenser that can be implemented in a combustion system of the invention.
  • FIG. 1 shows schematically a first alternative embodiment of a combustion system of the invention comprising:
  • a combustion device 1 which is supplied with an oxidizing gas GC coming from an oxidizing gas supply unit 3 and with a fuel C coming from a fuel source 2 and which, in operation, rejects through an outlet 1a FC combustion fumes;
  • main circuit 5 for evacuating at least part of the combustion fumes emitted by the combustion device 1, which main evacuation circuit 5 is connected at one end to the outlet 1a of the combustion device 1 and opens to its end opposite to free air (at atmospheric pressure) in the ambient air; this main evacuation circuit 5 comprises more particularly an evacuation chimney 50 opening into the open air;
  • - recycling means 4 which comprise a recycling loop 40 connecting the main evacuation circuit 5 to an inlet of the oxidant gas supply unit 3 GC and a recycling fan VR, which is mounted on the loop recycling 40; the recycling fan VR allows in operation to forcefully circulate a gaseous fluid in the recycling loop 40 from the connection 40a of the recycling loop 40 with the main evacuation circuit 5 and towards the unit 3 d GC oxidant gas supply;
  • connection 40b to the recycling loop 40 downstream of the recycling fan VR and which opens into the open air at atmospheric pressure into the ambient air;
  • At least one sensor 51 adapted to at least measure the pressure or flow rate of the outgoing gaseous fluid which is evacuated to the open air via the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5 located downstream of the connection 40a of the recycling loop 40 with the main evacuation circuit 5.
  • the sensor 51 can for example be mounted in a pipe between the connection 40a of the recycling loop 40 with the main evacuation circuit 5 and the evacuation chimney 50, as illustrated in FIG. 1, or can be mounted directly into the exhaust chimney 50.
  • control unit 7 is adapted to control at least the recycling fan VR as a function of at least the flow rate or the pressure measured by said sensor 51 (detection signal S51 delivered by the sensor), as will be detailed later.
  • the control unit 7 can be implemented in various forms, and can for example be produced by means of a programmable electronic control unit, for example of the programmable automaton type or a programmable electronic circuit comprising a microprocessor, a microcontroller or programmable logic circuits of the FPGA type, or can also be produced by means of a specific integrated electronic circuit of the ASIC type.
  • a programmable electronic control unit for example of the programmable automaton type or a programmable electronic circuit comprising a microprocessor, a microcontroller or programmable logic circuits of the FPGA type, or can also be produced by means of a specific integrated electronic circuit of the ASIC type.
  • Bypass 6 can consist of a simple pipe connected at one end to the recycling loop 40 and opening directly into the open air (at atmospheric pressure) at its other end. In its simplest version, this second branch 6 can also be a simple opening allowing the recycling loop 40 to communicate with the ambient air.
  • the VR recirculation fan can be replaced with an air compressor.
  • the combustion device 1 generally makes it possible to carry out combustion of the fuel C by means of said oxidant gas GC, the thermal energy resulting from this combustion being able, according to the invention, to be used in any type of application requiring a contribution thermal, and for example and in a non-limiting manner to heat a fluid in a heating installation or to supply an industrial production line with energy, in particular thermal, mechanical or electrical.
  • This combustion device 1 can either, according to the invention, comprise a conventional boiler, an oven, or a combustion chamber in which a combustion process is implemented.
  • the combustion device 1 usually comprises a fan (or compressor) 10 which makes it possible to pull or push the oxidizing gas GC into the combustion installation 1, with automatic adjustment or regulation of the flow rate 0GC of oxidizing gas GC entering the combustion device 1. the combustion device 1 to adapt to the flow rate of the fuel C and satisfy the thermal energy needs.
  • a fan or compressor
  • the combustion device 1 can be a common combustion device on the market or a particular combustion device which has been developed in a specific manner.
  • the combustion reaction of fuel C using the oxidizing gas GC produces combustion fumes FC whose composition depends on the fuel C and the oxidizing gas GC.
  • the fuel C can be very different from one application to another and can, depending on the case, be in solid, liquid or gaseous form.
  • the source 30 of gaseous dioxygen makes it possible to provide a gas rich in dioxygen, that is to say a gas containing at least 40% (volume percentage) of dioxygen.
  • the gas rich in dioxygen can advantageously, but not necessarily, consist of pure or almost pure dioxygen (volume concentration greater than 90%).
  • the source 30 of gaseous dioxygen can be of any known type and can for example comprise a unit for producing gaseous dioxygen by cryogenics and/or a unit for producing gaseous dioxygen by electrolysis of water.
  • the source 30 of gaseous dioxygen can also be a unit for producing a gas rich in dioxygen containing at least 40% of dioxygen obtained by suitable filtration of air using zeolites or equivalent.
  • the source 30 of gaseous dioxygen may also not be designed to produce the dioxygen-rich gas in situ, but may simply include a means of storing the dioxygen-rich gas which will have been previously produced on another site.
  • the flow control device 32 can simply stop or allow the gas rich in dioxygen coming from the source 30 to pass.
  • this flow control device 32 makes it possible to stop the gas rich in dioxygen coming from the source 30 or to let the gas rich in dioxygen coming from the source 30 pass while allowing adjustment, by the control unit 7, of the gas flow at the inlet of the mixer 31.
  • the source 30 of gaseous oxygen supplies for example the mixer 31 with a constant pressure and the device 32 for controlling the flow at the inlet of the mixer 31 comprises a valve V1, preferably one solenoid valve, which is controlled by the control unit 7.
  • this valve V1 is a progressive opening and closing valve.
  • the flow control device 32 at the inlet of the mixer 31 may also include a system for controlling the gas pressure at the outlet of the source 30 possibly associated with a valve which may be an on-off valve. or a valve with progressive opening and closing, the pressure control system and said valve being controlled by the control unit 7.
  • the oxidant gas supply unit 3 GC also comprises at least one sensor 33, which measures the dioxygen concentration in the oxidizing gas GC entering the combustion device 1 and which delivers to the control unit 7 a signal S for measuring this concentration.
  • this device 8 for treating FC combustion fumes preferably comprises a condenser, which is adapted to condense the FC combustion fumes emitted by the combustion installation 1 by cooling them.
  • the condenser of the treatment device 8 can generally comprise any type of exchanger allowing, by any means, to cool the FC combustion fumes so as to produce condensation of at least part of the steam. of water contained in the combustion fumes F.
  • FC' dehumidified combustion fumes FC' (rich in CO2) containing mainly the combustion products in the gas phase produced by combustion in the combustion device 1, and having an absolute humidity lower than that of the combustion fumes FC at the inlet of the treatment device 8.
  • This device 8 for treating combustion fumes can also be adapted to clean up combustion fumes and preferably to capture one or more pollutants chosen from the following list: fine particles, SOx, NOx, acids, heavy metals, ammonia, VOCs.
  • pollutants chosen from the following list: fine particles, SOx, NOx, acids, heavy metals, ammonia, VOCs.
  • FC' rich in CO2
  • the installation may be devoid of treatment device 8 or the treatment device 8 may be devoid of means of dehumidifying combustion fumes and only comprising means of depolluting combustion fumes.
  • the installation preferably comprises a treatment device, which is mounted on the recycling loop 40 downstream or preferably upstream of the recycling fan or compressor VR, and which is adapted to treat the recycled combustion fumes in the recycling loop 40 in order to at least dehumidify them.
  • the control unit 7 makes it possible to automatically control the fan or recycling compressor VR and the oxidizing gas supply unit 3 GC, and more particularly in this variant the flow control device 32, by means respectively of the control signals. controls C2 and C1, generally so as to control the composition of the oxidizing gas GC.
  • control unit 7 makes it possible to automatically control the recycling fan or compressor VR and the oxidant gas supply unit 3 GC so as to advantageously allow the installation to operate in an operating mode chosen from among at least two different operating modes (M1 and M2) detailed below and allow switching from one operating mode (M1 or M2) to another (M2 or M1).
  • M1 and M2 different operating modes
  • the combustion system of Figure 1 can be configured by the control unit 7 to operate in at least two different main operating modes:
  • M2 ( Figures 3 and 4): an operating mode called “oxycombustion with recycling” in which the recycling fan or compressor VR operates and is controlled by the control unit 7 and valve V1 of flow control device 32 is open (O).
  • the transition from one operating mode (M1 or M2) to another (M2 or M1) can be controlled by the control unit 7 simply by appropriately controlling the recycling fan or compressor VR, and the control device. flow control 32 (more particularly valve V1).
  • the transition from one mode (M1 or M2) of operation to another (M2 or M1) can advantageously be carried out without stopping the combustion, and in particular without altering the combustion in the combustion device 1, and without stopping the device combustion 1.
  • the dioxygen supply valve V1 coming from source 30 has been closed (F) by the control unit 7 and the recycling fan or compressor VR is stopped.
  • the fan 10 (or compressor) of the combustion device 1 operates by imposing a flow rate 0GC of oxidizing gas GC at the inlet of the combustion device 1, which can vary.
  • the mixer 31 is not supplied with oxygen coming from the source 30.
  • the mixer 31 is supplied only with incoming air which is sucked in via the bypass 6 and which is conveyed to the inlet of the mixer 31. conventional combustion is thus carried out in the combustion installation 1 by means of this incoming air used as oxidizing gas.
  • the combustion fumes FC after having been treated (FC') passing through the treatment device 8, do not recirculate to the mixer 31 but are evacuated into the open air into the atmosphere by being pushed by the fan ( or compressor) 10 in the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5.
  • the recycling loop 40 can also be equipped with smoke stopping dampers, which are controlled by the control unit 7 in operating mode M1 and which are opened by the unit control 7 in the control mode M2 operation (recycling of at least part of the combustion fumes). These dampers can also be operated manually.
  • the fan 10 (or compressor) of the combustion installation operates by imposing on the inlet of the installation 1 a given flow rate (GC) of oxidizing gas GC which can vary.
  • GC flow rate
  • the control unit 7 automatically controls the oxidizing gas supply unit 3 GC, and in particular the flow control device 32, as a function of the dioxygen concentration measured in the oxidizing gas GC by means of the sensor 33 ( signal S), so as to produce a gas having an appropriate level of oxygen (for example fixed by a preferably configurable setpoint) which is required or requested by combustion.
  • the control unit 7 also automatically controls the start of the recycling fan or compressor VR and automatically controls this recycling fan or compressor VR, as a function of the pressure or flow rate measured by the sensor 51.
  • control unit 7 automatically controls the recycling fan or compressor VR, until the flow rate or pressure measured by this sensor 51 reaches at least one predefined and preferably configurable operating setpoint, and automatically regulates the flow rate of this fan or recycling compressor VR so as to maintain said pressure or said flow rate measured by the sensor 51 at this operating setpoint or in the vicinity of this operating setpoint.
  • This operating instruction is set in such a way that the flow rate of the fan or recycling compressor VR is lower than the flow rate of the combustion fumes FC at the outlet of the treatment device 8 or, in the absence of treatment device 8, at the outlet of the combustion device 1, so as to recycle to the mixer 31 at least one part FC2 of the combustion fumes, the other part FC1 being evacuated into the open air into the atmosphere via the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5.
  • This M2 operating mode has in practice two operating phases:
  • the mixer 31 is also supplied with air which is sucked into the ambient air, via the bypass 6, with an incoming air flow 0AIR and which is routed to the mixer 31, via the portion of the loop of recycling 40 downstream of the connection 40a of the bypass 6 with the recycling loop 40, at the same time as the combustion fumes FC2.
  • the oxidizing gas GC contains dioxygen coming from the dioxygen-rich gas supplied by source 30, the treated and recycled combustion fumes FC2 (rich in CO2) and air.
  • the mixer 31 is supplied with dioxygen coming from the dioxygen-rich gas from the source 30 (valve V1 open) with a given flow rate (002) and is supplied with a flow rate 01 with the FC21 part of the combustion fumes treated and recycled FC2; the other part FC22 of the treated and recycled combustion fumes FC2 is evacuated into diversion 6 with a flow rate 02.
  • the combustion system in Figure 1 can in particular, but not exclusively, operate with a fuel C producing, in the “improved oxycombustion” operating phase, combustion fumes FC which mainly contain carbon dioxide (CO2) and steam. water (H2O), and to a lesser extent oxygen (O2) and carbon monoxide (CO).
  • a fuel C producing, in the “improved oxycombustion” operating phase, combustion fumes FC which mainly contain carbon dioxide (CO2) and steam. water (H2O), and to a lesser extent oxygen (O2) and carbon monoxide (CO).
  • the fuel C used in the combustion system of Figure 1 can advantageously be a hydrocarbon of any type, and for example a conventional hydrocarbon derived from petroleum or natural gas or an unconventional hydrocarbon derived from shale gas or oil, shales or tar sands, coal gas, biogas, singaz, etc.
  • the fuel can also be a particularly solid or liquid fuel from extraction (coal, wood, etc.) or may contain waste (plastics, recovered materials, etc.)
  • the combustion system can advantageously operate without time limit in the M2 operating mode (“oxycombustion with recycling”) and in said “degraded oxycombustion” phase with partial entry of air at least via bypass 6 (and possibly via another secondary air inlet or a secondary oxidizing gas inlet connected directly to the combustion device 1), and a partial discharge into the atmosphere of part FCi of the FC combustion fumes (in the absence of a treatment device 8) or FC' (with treatment device), via the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5.
  • control unit 7 automatically regulates the flow rate 002 of oxygen (for example in this particular case by closing more or less the progressive valve V1) using the measurement signal S of the dioxygen concentration in the oxidizing gas G.
  • the transition from operating mode M1 to operating mode M2 (“oxycombustion with recycling), in the “degraded oxycombustion” phase or in the “improved oxycombustion” operating phase, can be requested from the control unit 7, at the initiative of the user of the combustion system, for example by means a manual operating mode change control.
  • operating mode M1 The transition from operating mode M1 to operating mode M2 can also be implemented when starting the combustion system in order to operate it in “oxycombustion with recycling” (M2).
  • the control unit 7 executes this start-up procedure by initially configuring the combustion system in operating mode M1 (“conventional combustion”).
  • the combustion device 1 is started, in particular by putting into operation at least the fan (or compressor 10) of the combustion device 1, either manually by the user, or in an automated manner for example by the control unit 7, which initially allows the system to operate in conventional combustion (M1).
  • M1 conventional combustion
  • control unit 7 controls the combustion system, so as to automatically switch to “oxycombustion with recycling” (M2), as previously described, by choosing the operating phase known as “degraded oxycombustion” or the so-called “improved oxycombustion” operating phase.
  • M2 oxycombustion with recycling
  • Such a startup phase is advantageously simple and secure.
  • a combustion system of the prior art which is adapted to operate only in improved oxycombustion mode with recycling of combustion fumes
  • the risks of untimely and uncontrolled rise in temperature are avoided during the start-up phase.
  • combustion system is configured in M2 operating mode (“oxycombustion with recycling”).
  • the combustion device 1 operates, the fan or recycling compressor VR operates and the fan 10 (or compressor) of the combustion installation 1 operates by imposing a given flow rate (GC) of oxidizing gas GC consisting of air to the entrance to installation 1.
  • GC flow rate
  • control unit 7 To move from this operating mode M2 (“oxycombustion with recycling”) to operating mode M1 (“classic combustion”), the control unit 7 simply needs to control the slowdown until the fan or compressor stops. Recycling VR, then order the closing of valve V1.
  • the transition from operating mode M2 to operating mode M1 can be requested from the control unit 7, at the initiative of the user of the combustion system, for example by means of a manual control for changing the mode of operation. functioning.
  • the transition from operating mode M2 to operating mode M1 can also be implemented during a procedure to stop the operation of the combustion system.
  • the control unit 7 executes this stopping procedure by controlling the slowing down until the recycling fan or compressor VR stops, as previously described, then by controlling the closing of the valve V1 of the device 32 for controlling the flow of gas rich in dioxygen in order to switch from operating mode M2 to operating mode M1.
  • the transition from operating mode M2 to operating mode M1 can also be implemented when the concentration of dioxygen (supplied by source 30) in the oxidizing gas GC becomes insufficient and no longer allows improved oxycombustion with recycling of the combustion gas .
  • This insufficiency can have several possibly cumulative causes.
  • oxygen supply decreases too much. significant, for example due to an untimely slowdown in the in situ production of gas rich in dioxygen by the source 30 or too low a pressure in the source 30.
  • combustion device 1 is requested to provide more of thermal energy and to respond to this increases the flow rate GC (increase in the flow rate of the fan or compressor 10) in oxidant gas GC.
  • the additional oxidant gas is automatically injected through bypass 6.
  • the combustion device 1 reduces the supply of thermal energy, which results in a reduction in the need for the oxidizing gas GC, the excess oxidizing gas is discharged via the bypass 6 and the control system 7 adjusts if necessary the valve V1 to reduce the injection of oxygen into the mixer 31.
  • control unit 7 is preferably designed to monitor, by means of the sensor 33, the concentration of dioxygen in the gas oxidizer GC and when the dioxygen concentration decreases, to automatically detect if this dioxygen concentration reaches a predefined and preferably configurable critical minimum threshold, and if so to automatically control the combustion system, so as to switch it (such as previously described) in complete safety in operating mode M1 (“conventional combustion”), without stopping combustion in the combustion device 1.
  • the combustion system advantageously comprises a device 11 for capturing carbon dioxide (CO2) connected to branch 6 and adapted to capture carbon dioxide (CO2) in at minus a portion of the outgoing recycled combustion fumes (FC22/ Figure 4) circulating in said bypass 6.
  • a device 11 for capturing carbon dioxide (CO2) connected to branch 6 and adapted to capture carbon dioxide (CO2) in at minus a portion of the outgoing recycled combustion fumes (FC22/ Figure 4) circulating in said bypass 6.
  • this capture device 11 comprises a fan or compressor 110 which makes it possible to suck up a portion of the outgoing recycled combustion fumes (FC22/ Figure 4) circulating in the bypass 6 and to supply a CO2 capture unit 111 ( known per se).
  • this capture device 11 and in particular the fan or compressor 110 is controlled automatically (by the control unit 7 by means of the control signal C3) or by another control unit) as a function of the pressure or of the flow rate of the outgoing combustion fumes circulating in the bypass 6, this pressure or this flow rate being measured by a sensor 60 delivering a measurement signal S ⁇ .
  • connection 40a of the recycling loop 40 with the main evacuation circuit 5 is located upstream of the treatment device 8, between the outlet 1a of the combustion device 1 and the inlet of this treatment device 8, and in that an additional treatment device 8' is mounted on the recycling loop 40, preferably upstream of the recycling fan or compressor VR, that is to say between the recycling fan or compressor VR and the connection 40a of the recycling loop 40 with the main circuit of evacuation 5.
  • the additional treatment device 8' can be mounted on the recycling loop 40 downstream of the recycling fan or compressor VR.
  • the treatment device 8 can be adapted to depollute non-recycled combustion fumes, before their evacuation into the ambient air and preferably to capture one or more pollutants chosen from the following list: fine particles, SOx, NOx, acids, metals heavy, ammonia, VOC.
  • the treatment device 8' is preferably adapted to at least dehumidify the combustion fumes recycled in the recycling loop 40 and more particularly comprises at least one condenser or several condensers in cascade.
  • the oxidizing gas GC is constituted by the air sucked in by bypass 6 (the valve V1 being closed and the fan or recycling compressor VR being stopped) and the combustion fumes FC are treated in their entirety by passing through the treatment device 8 and are evacuated (FC') into the ambient air.
  • the other inlet of the mixer 31 is supplied with dioxygen coming from the dioxygen-rich gas from source 30 (valve V1 open) with a given flow rate (0O 2 ).
  • the combustion system of Figure 9 differs from that of Figure 1 in that a condenser 34 has been added.
  • This condenser 34 is supplied at the input by the mixer 31 and is connected at the output to the combustion device 1 and supplies the combustion device 1 with the oxidant gas GC.
  • the combustion fumes FC are recycled to the mixer 31 without necessarily having been dehumidified in the treatment device 8, dehumidification being carried out at least by the condenser 34.
  • the condenser 34 could be mounted in bypass like the treatment device 8 of Figure 12.
  • Combustion system of Figure 10 is another variant, the condenser 34 could be mounted in bypass like the treatment device 8 of Figure 12.
  • the combustion system of Figure 10 differs from that of Figure 1 mainly in that the control unit 7 is adapted to control the recycling fan or compressor VR) as a function at least of the flow rate or the pressure measured at less by said sensor 60 (and no longer by the sensor 51 as in the variant of Figure 1) during at least the operating mode M2 with recycling of at least part of the combustion fumes.
  • the control unit 7 is adapted to control the recycling fan or compressor VR) as a function at least of the flow rate or the pressure measured at less by said sensor 60 (and no longer by the sensor 51 as in the variant of Figure 1) during at least the operating mode M2 with recycling of at least part of the combustion fumes.
  • control unit 7 automatically controls the recycling fan or compressor VR, until the flow rate or pressure measured by this sensor 60 reaches at least a predefined and preferably configurable operating setpoint, and automatically regulates the flow rate of the fan or recycling compressor VR so as to maintain said pressure or said flow rate measured at this operating setpoint or in the vicinity of this operating setpoint.
  • This operating instruction is set such that the flow rate of the recycling fan or compressor VR is lower than the flow rate of the combustion fumes FC at the outlet of the treatment device 8 or, in the absence of treatment device 8, at the outlet of the combustion device 1, so as to recycle to the mixer 31 at least one part FC2 of the combustion fumes, the other part FC1 being evacuated into the open air in the atmosphere via the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5.
  • the combustion system advantageously comprises a device 11' for capturing carbon dioxide (CO2) connected to the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5 and adapted to capture carbon dioxide (CO2) in at least part of the outgoing combustion fumes FCi.
  • a device 11' for capturing carbon dioxide (CO2) connected to the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5 and adapted to capture carbon dioxide (CO2) in at least part of the outgoing combustion fumes FCi.
  • this capture device comprises a fan or compressor 110 which makes it possible to suck up a portion of FC combustion fumes circulating in the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5 and to supply a CO2 capture unit 111 ( known per se).
  • this capture device 11' and in particular the fan or compressor 110, is controlled automatically (by the control unit 7 or by another control unit) as a function of the pressure or flow rate of the combustion fumes. circulating in the downstream part 5b of the main evacuation circuit 5, said pressure or said flow rate being measured by the sensor 51.
  • the combustion system of Figure 11 differs from that of Figure 10 in that, in a manner comparable to Figure 5, the connection 40a of the recycling loop 40 with the main evacuation circuit 5 is located upstream of the device treatment device 8, between the outlet 1a of the combustion device 1 and the inlet of this treatment device 8, and in that an additional treatment device 8' is mounted on the recycling loop 40, preferably upstream of the recycling fan or compressor VR, that is to say between the recycling fan or compressor VR and the connection 40a of the recycling loop 40 with the main power supply circuit 5.
  • the combustion system of Figure 12 differs from that of Figure 1 in that the processing device 8 is mounted as a bypass (“by-pass”) on the main evaluation circuit.
  • the treatment device 8 or 8' can also be mounted in bypass (“by-pass") Combustion system of Figure 13 - injection of CCh at start-up
  • the combustion system of Figure 13 differs from that of Figure 1 in that it comprises an additional device 12 connected to an inlet of the mixer 31 and allowing gaseous carbon dioxide (CO2) to be injected into the mixer 31 during the “degraded oxycombustion” transient phase during the transition from the second operating mode M2 in the “degraded oxycombustion” phase to the second operating mode M2 in the “improved oxycombustion” phase, in order to shorten the duration of this transient phase.
  • CO2 gaseous carbon dioxide
  • This CO2 injection device 12 comprises for example a source 120 of gaseous CO2 under pressure associated with a valve or solenoid valve 121 controlled by the control unit 7 by means of a control signal C4.
  • This CCh injection device 12 can also be added to the combustion system of Figures 5, 9, 10, 11, 12.
  • This condenser comprises an exchanger 12, which comprises an enclosure 120 containing a bath 121 of cooling liquid L and injection means 123, which are adapted to introduce the gaseous fluid F to be dehumidified (i.e. combustion fumes) below the surface of the cooling liquid bath L.
  • an exchanger 12 which comprises an enclosure 120 containing a bath 121 of cooling liquid L and injection means 123, which are adapted to introduce the gaseous fluid F to be dehumidified (i.e. combustion fumes) below the surface of the cooling liquid bath L.
  • the cooling liquid L can simply be water or an aqueous solution.
  • injection means 123 may more particularly comprise a fan or compressor 123f and an injection conduit 123a comprising an inlet opening 123b, for example in its upper part 123c.
  • the lower part 123d of the injection conduit 123a is immersed in the bath 121 of cooling liquid L and has an evacuation opening 123e immersed in the bath 121 of cooling liquid L.
  • the fan or compressor 123f makes it possible to suck up the gaseous fluid F to be dehumidified and introduce it into the injection conduit 123 through the inlet opening 123b.
  • This gaseous fluid F escapes from the injection conduit 123 through the evacuation opening 123e, and is therefore forcibly introduced into the bath 121 of cooling liquid L, below the surface of the bath 121 of cooling liquid L, rises towards the surface of the liquid bath, escapes from the enclosure 120 through the evacuation opening 120a of the enclosure 120 after having been dehumidified in the form of a dehumidified gas F'.
  • the temperature TL of the cooling liquid L is always lower than the temperature TF of the gaseous fluid F at the inlet of the exchanger 12 and is preferably lower than the dew point temperature (dew point) of the gaseous fluid F.
  • the absolute humidity (g water / kg dry air ] of a gas represents the number of grams of water vapor present in a given volume of gas, relative to the mass of dry gas of this volume expressed in kilogram. Its value remains constant even if the gas temperature varies, but remains higher than the dew point of the gas.
  • the gaseous fluid F undergoes condensation in contact with the cooling liquid L, so that the absolute humidity of the gas F', at the outlet of the exchanger 12 is less than the absolute humidity of the gaseous fluid F at the inlet of the exchanger 12.
  • the fan or compressor 123f can be connected to the injection conduit 123 and used so as to introduce the gaseous fluid F into this injection conduit 123 by blowing them through the inlet opening 123b of this injection conduit 123.
  • the exchanger 12 can more particularly be coupled to a heat pump (not shown) which makes it possible to renew the liquid L in the bath by taking calories from it so as to maintain the temperature of this liquid at a sufficiently low level.
  • the invention is not limited to the implementation of an exchanger 12 of the type of that in Figure 14.
  • the exchanger 12 for the condensation of the gaseous fluid F can for example be of the type described in international patent application WO201 6/071648 or in international patent application WO2020/030419 or may be an exchanger operating by spraying the cooling liquid L in contact with the gaseous fluid F.
  • the invention is not limited to an exchanger operating with a cooling liquid but can be implemented with any other known type of exchanger allowing dehumidification of a gaseous fluid.
  • the air flow D (D ⁇ X) at the inlet of the combustion device is defined as a function of the oxygen requirement for combustion and the management of the combustion device (for example management of the flame in the combustion chamber).
  • combustion fumes contain:
  • the flow rate of the combustion fumes at the outlet of the combustion device which are not recycled and which are rejected directly into the atmosphere and/or which are treated (for example for CO2 capture) before discharge into the atmosphere is advantageously lower than the aforementioned flow rate X.
  • the gas rich in dioxygen is pure dioxygen
  • the dioxygen-rich gas contains 90% dioxygen, it is possible in practice to recycle the combustion fumes with a significant recycling rate of up to 9/10 of low and which can be of the order of 1/10 of etc.
  • the gas rich in dioxygen contains at least 40% dioxygen (below this threshold, the reduction in the flow rate of non-recycled fumes is in practice too low).
  • the fraction of gaseous dioxygen in the gas rich in dioxygen is at least 80%, more preferably at least 90%. More particularly, the gas rich in dioxygen is advantageously pure or almost pure gaseous dioxygen (at least 99% O2).

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Abstract

Le système de combustion comporte un dispositif de combustion (1) permettant la combustion d'un combustible au moyen d'au moins un gaz comburant (GC) et comportant une sortie (1a) par laquelle il rejette des fumées de combustion (FC), une unité d'alimentation (3) en gaz comburant (GC) comportant un mélangeur (31) et une source (30) de dioxygène gazeux qui fournit un gaz riche en dioxygène et qui est raccordée à une première entrée du mélangeur (31), un circuit principal d'évacuation (5) raccordé à la sortie (1a) du dispositif de combustion (1) et débouchant à l'air libre, des moyens de recyclage (4) qui comportent une boucle de recyclage (40) entre le circuit principal d'évacuation (5) et une deuxième entrée du mélangeur (31), au moins un ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) monté sur la boucle de recyclage (40), une dérivation (6) qui est raccordée à la boucle de recyclage (40) en aval du ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) et qui débouche à l'air libre, et une unité de commande (7) adaptée pour commander au moins le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR).

Description

SYSTEME DE COMBUSTION APTE A FONCTIONNER AVEC UN RECYCLAGE DES FUMEES DE COMBUSTION
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de la combustion avec un recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
Art antérieur
Une combustion dite « classique » consiste à mélanger dans une installation de combustion (four, chaudière, etc.) de l’air (comburant) à un combustible dans des conditions de hautes températures pour créer l’oxydation. La réaction est exothermique et s’entretient naturellement. L’air contient 21 % de dioxygène (O2) et le volume d’air utilisé est contrôlé de sorte que la quantité de dioxygène soit suffisante pour la combustion.
En combustion classique, les fumées de combustion comportent de la vapeur d’eau (H2O) et des produits de combustion en phase gazeuse, dont principalement du diazote (N2) en phase gazeuse, et du dioxyde de carbone (CO2) en phase gazeuse.
Dans le présent texte, on désigne par les termes « gaz de combustion », les produits de combustion en phase gazeuse qui sont rejetés après la combustion.
Si on souhaite capter le CO2 de ces fumées, il est aisé d’éliminer la vapeur d’eau en condensant ces fumées de combustion et en recueillant l’eau sous forme liquide. En revanche la difficulté principale réside dans la séparation de l’azote et du dioxyde carbone. En outre, en combustion classique, et selon le type de combustible utilisé, le gaz de combustion peut également comporter d’autres produits de combustion polluants en phase gazeuse, en quantité plus ou moins importante, tels que par exemple SOx (oxydes de soufre), NOx (oxydes d’azote), HCl (chlorure d’hydrogène), HF (fluorure d’hydrogène), etc... Par conséquent si on souhaite capter le CO2 de ces fumées, il faut également séparer le CChde ces autres polluants.
Plusieurs solutions ont été envisagées pour capter le CO2 dans des fumées issues de combustion classique, mais leur coût reste très élevé.
Pour réduire l’émission de polluants dans les fumées de combustion, il est connu de remplacer la combustion classique susvisée, par une combustion, dite « oxycombustion », dans laquelle l’air (comburant) est remplacé par du dioxygène dans des proportions stoechiométriques, le nombre d’atomes d’oxygène étant égal à celui nécessaire pour oxyder l’ensemble des atomes du combustible.
La production de dioxygène pour mettre en œuvre l’oxycombustion peut par exemple être obtenue de manière connue par cryogénie ou par électrolyse de l’eau.
Dans le cas par exemple d’une oxycombustion de méthane (CH4), on produit des fumées de combustion constituées d’1/3 de CO2 en phase gazeuse et de 2/3 de vapeur d’eau en volume. Dans le cas d’autres combustibles, on aura en plus les polluants issus de la combustion, comme par HCl, SOx, etc. Si le combustible n’est pas azoté, de manière avantageuse les fumées ne contiendront naturellement pas de NOx.
L’équation de la réaction chimique de l’oxycombustion du méthane (CH4) est la suivante :
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O -891 kJ/mole de CH4
Cela signifie que chaque mole de CH4 produira une puissance de 891 kJ vers l’extérieur.
Pour les autres combustibles, les réactions sont analogues, avec l’apparition d’autres composés si le combustible contient d’autres atomes que le carbone et l’hydrogène.
Dans le cas par exemple de l’oxycombustion du méthane, on constate qu’il est plus aisé de capter le CO2. Il suffit pour cela de condenser l’eau des fumées de combustion par un procédé de refroidissement ou d’assèchement pour obtenir du CO2 à l’état gazeux.
Il est donc connu à ce jour de mettre en œuvre un condenseur pour condenser les fumées d’oxycombustion afin de faciliter le captage du CO2.
Une difficulté importante de l’oxycombustion réside toutefois dans la difficulté de maîtrise de la combustion, car à la différence de la combustion classique, la température d’oxycombustion peut rapidement et de manière non contrôlée devenir très élevée dans la chambre de combustion, de sorte que les installations de combustion classiques ne résistent pas.
Pour pallier cette difficulté, on a déjà proposé des installations permettant d’améliorer l’oxycombustion, en recyclant au moins une partie des fumées de combustion riches en CO2 en phase gazeuse, de préférence en les condensant, de manière à la mélanger avec le dioxygène et à obtenir un gaz comburant (O2-CO2) qui permet avantageusement d’abaisser la température de combustion.
Ce perfectionnement permet une oxycombustion à base de dioxygène avec recyclage des fumées de combustion plus facilement maîtrisée, par rapport à une oxycombustion mettant en œuvre uniquement du dioxygène comme comburant, tout en réduisant l’émission de polluants par rapport à une combustion classique et en facilitant le cas échéant le captage du CO2.
Ces installations sont prévues pour fonctionner uniquement en oxycombustion avec recyclage des fumées de combustion, ce qui induit plusieurs inconvénients.
Les procédures de démarrage et d’arrêt de ces installations sont des phases de fonctionnement critiques et risquées et peuvent de manière préjudiciable conduire à des températures d’oxycombustion, avec recyclage des fumées de combustion, non contrôlées et trop élevées dans la chambre de combustion.
Au cours de l’oxycombustion, avec recyclage des fumées de combustion, une baisse de concentration en dioxygène trop importante dans le gaz comburant peut de manière préjudiciable aboutir à un arrêt intempestif de la combustion dans la chambre de combustion de l’installation, ce qui peut avoir des conséquences graves par exemple dans une chaîne de production industrielle utilisant l’énergie thermique produite.
Objectif de l’invention L’invention a pour objectif principal de proposer un système de combustion qui peut fonctionner avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion, mais qui permet de pallier tout ou partie des inconvénients susvisés inhérents aux installations d’oxycombustion de l’art antérieur qui mettent en œuvre un tel recyclage des fumées de combustion.
Résumé de l’invention
L’invention a ainsi pour objet un système de combustion comportant un dispositif de combustion permettant la combustion d’un combustible au moyen d’au moins un gaz comburant et comportant une sortie par laquelle il rejette des fumées de combustion, une unité d’alimentation en gaz comburant qui est raccordée au dispositif de combustion et permet d’alimenter le dispositif de combustion en gaz comburant, ladite unité d’alimentation en gaz comburant comportant un mélangeur et une source de dioxygène gazeux qui fournit un gaz riche en dioxygène et qui est raccordée à une première entrée du mélangeur, un circuit principal d’évacuation raccordé à la sortie du dispositif de combustion et débouchant à l’air libre, des moyens de recyclage qui comportent une boucle de recyclage entre le circuit principal d’évacuation et une deuxième entrée du mélangeur, au moins un ventilateur ou compresseur de recyclage monté sur la boucle de recyclage et adapté pour faire circuler un fluide gazeux dans la boucle de recyclage en direction de la deuxième entrée du mélangeur depuis un raccordement de la boucle de recyclage avec le circuit principal d’évacuation, une dérivation qui est raccordée à la boucle de recyclage en aval du ventilateur ou compresseur de recyclage (c’est-à-dire entre le ventilateur ou compresseur de recyclage et la deuxième entrée du mélangeur) et qui débouche à l’air libre, et une unité de commande adaptée pour commander au moins le ventilateur ou compresseur de recyclage.
Ladite dérivation permet au moins d’alimenter le mélangeur avec de l’air entrant dans la dérivation.
Les termes « gaz riche en dioxygène » signifient que le gaz contient au moins 40% (pourcentage volumique) de dioxygène. Plus particulièrement, l’unité de commande est adaptée pour commander le ventilateur ou compresseur de recyclage de manière à pouvoir configurer le système de combustion dans un mode de fonctionnement choisi parmi au moins deux modes de fonctionnement différents (M1 ; M2) et à pouvoir passer d’un mode de fonctionnement à l’autre : un premier mode de fonctionnement (M1 ) dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage est à l’arrêt et le mélangeur n’est pas alimenté en gaz riche en dioxygène en provenance de la source de dioxygène gazeux et est alimenté par de l’air entrant dans la dérivation, et un deuxième mode de fonctionnement (M2), dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage fonctionne, et le mélangeur est alimenté au moins avec du gaz riche en dioxygène fourni par la source de dioxygène gazeux et avec au moins une partie des fumées de combustion rejetées par le dispositif de combustion.
Dans ledit premier mode de fonctionnement (M1 ), le mélangeur est alimenté au moins avec de l’air aspiré via la dérivation et l’intégralité des fumées de combustion émises par le dispositif de combustion est évacuée à l’air libre, éventuellement après avoir été traitée, sans être recyclée.
Il en résulte que le gaz comburant contient au moins de l’air et ne contient pas de dioxygène en provenance de la source de dioxygène gazeux. La combustion dans le dispositif de combustion est ainsi une combustion classique.
Dans ce premier mode de fonctionnement et dans une variante particulière de réalisation, le gaz comburant est de préférence constitué uniquement d’air.
Dans ledit deuxième mode de fonctionnement (M2), le gaz comburant contient au moins du gaz riche en dioxygène en provenance de la source de dioxygène gazeux et au moins une partie des fumées de combustion qui a été recyclée et qui a de préférence été traitée (avant recyclage ou dans la boucle de recyclage), en particulier en étant de préférence au moins déshumidifiée.
Il en résulte que la combustion dans le dispositif de combustion est de type oxycombustion avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
Plus particulièrement, dans ledit deuxième mode de fonctionnement (M2), dans une phase de fonctionnement particulière, désignée ultérieurement « oxycombustion dégradée » le gaz comburant peut comporter de l’air, qui a été aspiré dans l’air ambiant via la dérivation. Dans ledit deuxième mode de fonctionnement et dans une autre phase de fonctionnement particulière désignée ultérieurement « oxycombustion améliorée », le gaz comburant ne contient pas d’air aspiré dans l’air ambiant via la dérivation.
Le dispositif de combustion peut être un dispositif de combustion courant du marché ou un dispositif de combustion particulier qui a été développé de manière spécifique. Ce dispositif de combustion peut avoir des entrées d’air à différents points d’injection en fonction du besoin de la combustion. De manière avantageuse, l’invention peut plus particulièrement être mise en œuvre sans qu’il soit nécessaire d’apporter de modification à ce dispositif de combustion.
Plus particulièrement, le système de combustion de l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles et optionnelles suivantes, prises isolément, ou en combinaison les unes avec les autres :
- Le système de combustion comporte en outre au moins un capteur qui est adapté pour au moins mesurer le débit ou la pression de fluide gazeux sortant dans la partie aval du circuit d’évacuation principal située en aval du raccordement de la boucle de recyclage avec le circuit principal d’évacuation et qui délivre un signal de mesure de pression ou débit traité par l’unité de commande.
- Le système de combustion comporte en outre au moins un capteur 60 qui est adapté pour au moins mesurer le débit ou la pression de fluide gazeux sortant dans la dérivation 6, et qui délivre un signal de mesure de pression ou débit traité par l’unité de commande.
- L’unité de commande est adaptée pour commander le ventilateur ou compresseur de recyclage en fonction au moins du débit ou de la pression mesurée par ledit capteur pendant au moins un mode de fonctionnement avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
- L’unité de commande est adaptée pour commander au moins le ventilateur ou compresseur de recyclage, et le cas échéant le dispositif de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène, de manière à pouvoir passer d’un mode de fonctionnement (M1 ou M2) à l’autre (M2 ou M1 ) sans arrêter la combustion dans le dispositif de combustion.
- La source de dioxygène gazeux est raccordée à ladite première entrée du mélangeur via un dispositif de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène qui est commandé par l’unité de commande, et de préférence qui comporte une vanne de contrôle de débit qui est commandée par l’unité de commande.
- La vanne de contrôle de débit est une vanne à ouverture et fermeture progressives.
- Le système de combustion comporte au moins un capteur adapté pour mesurer la concentration en dioxygène dans le gaz comburant et l’unité de commande est adaptée pour commander le dispositif de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène en fonction de la concentration en dioxygène mesurée par ce capteur (au moins pendant un mode de fonctionnement (M2) avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
- Le dispositif de combustion comporte un ventilateur ou compresseur adapté pour alimenter le dispositif de combustion en gaz comburant avec un débit ( GC) donné, qui est de préférence variable.
- Le débit d’alimentation du dispositif de combustion en combustible est variable et le dispositif de combustion comporte un ventilateur ou compresseur adapté pour alimenter le dispositif de combustion en gaz comburant avec un débit ( GC) qui varie en fonction du débit d’alimentation du dispositif de combustion en combustible. - Le système de combustion comporte un dispositif de traitement des fumées de combustion qui est monté sur le circuit d’évacuation principal.
- Le système de combustion comporte un dispositif de traitement des fumées de combustion recyclées qui est monté sur la boucle de recyclage de préférence entre le ventilateur ou compresseur de recyclage et le raccordement de la boucle de recyclage avec le circuit principal d’évacuation.
- Le dispositif de traitement est adapté pour déshumidifier les fumées de combustion.
- Le dispositif de traitement comporte un condenseur.
- Le condenseur comporte au moins un échangeur comportant un liquide refroidissant.
- L’échangeur comporte un bain de liquide refroidissant, et des moyens d’injection permettant de faire passer le fluide gazeux (à déshumidifier à travers ce bain de liquide refroidissant (L), et de préférence les moyens d’injection permettent d’injecter le fluide gazeux à déshumidifier au-dessous de la surface de ce bain de liquide de refroidissant.
- Le dispositif de traitement est adapté pour dépolluer les fumées de combustion et plus particulièrement pour capter un ou plusieurs polluants choisis parmi la liste suivante : particules fines, SOx, NOx, acides, métaux lourds, ammoniac, COV.
- Le système de combustion comporte au moins un capteur adapté pour mesurer la concentration en dioxygène dans le gaz comburant et l’unité de commande est adaptée pour commander le dispositif de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène et le ventilateur ou compresseur de recyclage, en fonction de la concentration mesurée en dioxygène dans le gaz comburant, et de préférence de manière à passer d’un mode de fonctionnement (M2) avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion à un mode de fonctionnent (M1 ) sans recyclage des fumées de combustion.
- Le système de combustion comporte un dispositif de captage du dioxyde de carbone (CO2), qui est raccordé à la dérivation et qui est adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie des fumées de combustion recyclées sortantes évacuées via ladite dérivation et/ou comportant un dispositif de captage du dioxyde de carbone (CO2), qui est raccordé à la partie aval du circuit d’évacuation principal située en aval du raccordement de la boucle de recyclage avec le circuit principal d’évacuation et qui est adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie des fumées de combustion non recyclées sortantes évacuées via ladite partie aval du circuit d’évacuation principal.
- Le gaz riche en dioxygène fourni par la source de dioxygène gazeux comporte au moins 50% de dioxygène, de préférence au moins 80% de dioxygène, et plus préférentiellement encore au moins 90% de dioxygène.
- Le gaz riche en dioxygène fourni par la source de dioxygène gazeux est du dioxygène pur ou quasi pur.
- Le système de combustion comporte un dispositif d’injection de dioxyde de carbone raccordé à une entrée du mélangeur et adaptée pour d’injecter du dioxyde de carbone (CO2) gazeux dans le mélangeur pendant une phase particulière (« oxycombustion dégradée ») du mode de fonctionnement (M2) avec recyclage des fumées de combustion.
Brève description des figures
Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après de plusieurs variantes particulières de réalisation de l’invention, lesquelles variantes particulières de réalisation sont décrites à titre d’exemples non limitatifs et non exhaustifs de l’invention, et en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 est une représentation schématique d’une première variante particulière de réalisation d’un système de combustion de l’invention.
- La figure 2 représente le système de combustion de la figure 1 dans le premier en mode de fonctionnement M1 (« combustion classique ») ;
- La figure 3 représente le système de combustion de la figure 1 dans le deuxième en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans une phase de fonctionnement particulière (« oxycombustion dégradée »).
- La figure 4 représente le système de combustion de la figure 1 dans le deuxième en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans une autre phase de fonctionnement particulière (« oxycombustion améliorée »).
- La figure 5 est une représentation schématique d’une deuxième variante particulière de réalisation d’un système de combustion de l’invention.
- La figure 6 représente le système de combustion de la figure 5 dans le premier en mode de fonctionnement M1 (« combustion classique ») ;
- La figure 7 représente le système de combustion de la figure 5 dans le deuxième en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans une phase de fonctionnement particulière (« oxycombustion dégradée »).
- La figure 8 représente le système de combustion de la figure 5 dans le deuxième en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans une autre phase de fonctionnement particulière (« oxycombustion améliorée »).
- Les figures 9 à 13 sont des représentations schématiques de cinq autres variantes particulières de réalisation d’un système de combustion de l’invention.
- La figure 14 représente un exemple particulier de condenseur pouvant être mis en œuvre dans un système de combustion de l’invention.
Description détaillée Système de combustion de la figure 1
On a représenté schématiquement sur la figure 1 une première variante de réalisation d’un système de combustion de l’invention comportant :
- un dispositif de combustion 1 , qui est alimenté avec un gaz comburant GC provenant d’une unité 3 d’alimentation en gaz comburant et avec un combustible C provenant d’une source de combustible 2 et qui, en fonctionnement, rejette par une sortie 1a des fumées de combustion FC;
- un circuit principal 5 d’évacuation d’au moins une partie des fumées de combustion émises par le dispositif de combustion 1 , lequel circuit principal d’évacuation 5 est raccordé à une extrémité à la sortie 1a du dispositif de combustion 1 et débouche à son extrémité opposée à l’air libre (à la pression atmosphérique) dans l’air ambiant ; ce circuit principal d’évacuation 5 comporte plus particulièrement une cheminée d’évacuation 50 débouchant à l’air libre ;
- des moyens de recyclage 4, qui comportent une boucle de recyclage 40 raccordant le circuit principal d’évacuation 5 à une entrée de l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC et un ventilateur de recyclage VR, qui est monté sur la boucle de recyclage 40 ; le ventilateur de recyclage VR permet en fonctionnement de faire circuler de manière forcée un fluide gazeux dans la boucle de recyclage 40 depuis le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5 et en direction de l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC ;
- une dérivation 6, qui est raccordée (raccordement 40b) à la boucle de recyclage 40 en aval du ventilateur de recyclage VR et qui débouche à l’air libre à la pression atmosphérique dans l’air ambiant ;
- au moins un capteur 51 adapté pour au moins mesurer la pression ou le débit du fluide gazeux sortant qui est évacué à l’air libre via la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5 située en aval du raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5.
Le capteur 51 peut par exemple être monté dans une conduite entre le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5 et la cheminée d’évacuation 50, tel qu’illustré sur la figure 1 , ou peut être monté directement dans la cheminée d’évacuation 50.
Dans cette variante de réalisation de la figure 1 , l’unité de commande 7 est adaptée pour commander au moins le ventilateur de recyclage VR en fonction au moins du débit ou de la pression mesurée par ledit capteur 51 (signal de détection S51 délivré par le capteur), tel que cela sera détaillé ultérieurement.
L’unité de commande 7 peut être implémentée sous des formes variées, et peut par exemple être réalisée au moyen d’une unité de commande électronique programmable, par exemple du type automate programmable ou d’un circuit électronique programmable comportant un microprocesseur, un microcontrôleur ou des circuits logiques programmables de type FPGA, ou peut encore être réalisée au moyen d’un circuit électronique intégré spécifique de type ASIC.
La dérivation 6 peut être constituée par une simple canalisation raccordée à une extrémité à la boucle de recyclage 40 et débouchant directement à l’air libre (à la pression atmosphérique) à son autre extrémité. Dans sa version la plus simple, cette deuxième dérivation 6 peut également être une simple ouverture permettant de faire communiquer la boucle de recyclage 40 avec l’air ambiant.
En variante, le ventilateur de recyclage VR peut être remplacé par un compresseur d’air.
Le dispositif de combustion 1 permet d’une manière générale de réaliser une combustion du combustible C au moyen dudit gaz comburant GC, l’énergie thermique résultant de cette combustion pouvant indifféremment selon l’invention être utilisée dans tout type d’application nécessitant un apport thermique, et par exemple et de manière non limitative pour chauffer un fluide dans une installation de chauffage ou pour alimenter une chaîne de production industrielle en énergie, notamment thermique, mécanique ou électrique. Ce dispositif de combustion 1 peut indifféremment selon l’invention comporter une chaudière classique, un four, ou une chambre de combustion dans laquelle est mis en œuvre un procédé de combustion.
Le dispositif de combustion 1 comporte de manière usuelle un ventilateur (ou compresseur) 10 qui permet de tirer ou pousser le gaz comburant GC dans l’installation de combustion 1 , avec un réglage ou une régulation automatique du débit 0GC de gaz comburant GC entrant dans le dispositif de combustion 1 pour s’adapter au débit du combustible C et satisfaire les besoins en énergie thermique.
Le dispositif de combustion 1 peut être un dispositif de combustion courant du marché ou un dispositif de combustion particulier qui a été développé de manière spécifique.
La réaction de combustion du combustible C au moyen du gaz comburant GC produit des fumées de combustion FC dont la composition dépend du combustible C et du gaz comburant GC.
Dans le cadre de l’invention, le combustible C peut être très différent d’une application à l’autre et peut selon le cas se présenter sous forme solide, liquide ou gazeuse.
L’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC comporte une source 30 de dioxygène gazeux (O2) qui alimente une entrée d’un mélangeur 31 , via un dispositif 32 de contrôle de débit commandé par l’unité de commande 7. L’autre entrée du mélangeur 31 est raccordée à la boucle de recyclage 40.
La source 30 de dioxygène gazeux permet de fournir un gaz riche en dioxygène, c’est-à-dire un gaz contenant au moins 40% (pourcentage volumique) de dioxygène.
De préférence, tel que cela sera discuté ultérieurement, le gaz riche en dioxygène peut avantageusement, mais non nécessairement, être constitué de dioxygène pur ou quasi pur (concentration volumique supérieure à 90%). La source 30 de dioxygène gazeux peut être de tout type connu et peut par exemple comporter une unité de production de dioxygène gazeux par cryogénie et/ou une unité de production de dioxygène gazeux par électrolyse l’eau. La source 30 de dioxygène gazeux peut également être une unité de production d’un gaz riche en dioxygène contenant au moins 40% de dioxygène obtenu par une filtration adaptée d’air au moyen de zéolithes ou équivalent. La source 30 de dioxygène gazeux peut également ne pas être conçue pour produire le gaz riche en dioxygène in situ, mais peut simplement comporter un moyen de stockage du gaz riche en dioxygène qui aura été préalablement produit sur un autre site.
Dans une variante, le dispositif de contrôle de débit 32 peut permettre simplement de stopper ou laisser passer le gaz riche en dioxygène en provenance de la source 30. De préférence néanmoins, ce dispositif 32 de contrôle du débit permet de stopper le gaz riche en dioxygène en provenance de la source 30 ou de laisser passer le gaz riche en dioxygène en provenance de la source 30 en permettant un réglage, par l’unité de commande 7, du débit gazeux à l’entrée du mélangeur 31 .
Dans la variante particulière de réalisation de la figure 1 , la source 30 de dioxygène gazeux alimente par exemple le mélangeur 31 avec une pression constante et le dispositif 32 de contrôle de débit à l’entrée du mélangeur 31 comporte une vanne V1 , de préférence une électrovanne, qui est commandée par l’unité de commande 7.
De préférence, cette vanne V1 est une vanne à ouverture et fermeture progressives.
Dans une autre variante, le dispositif 32 de contrôle de débit à l’entrée du mélangeur 31 peut également comporter un système de contrôle de la pression du gaz en sortie de la source 30 associé éventuellement à une vanne qui peut être une vanne tout ou rien ou une vanne à ouverture et fermeture progressives, le système de contrôle de pression et ladite vanne étant commandés par l’unité de commande 7.
De préférence, l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC comporte également au moins un capteur 33, qui mesure la concentration en dioxygène dans le gaz comburant GC entrant dans le dispositif de combustion 1 et qui délivre à l’unité de commande 7 un signal S de mesure de cette concentration.
De préférence, dans la variante de la figure 1 , le système de combustion comporte un dispositif 8 de traitement des fumées de combustion FC, qui est monté sur la partie amont 5a du circuit principal d’évacuation 5 suitée en amont du raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5
Dans cette variante particulière de réalisation, ce dispositif 8 de traitement des fumées de combustion FC comporte de préférence un condenseur, qui est adapté pour condenser les fumées de combustion FC émises par l’installation de combustion 1 en les refroidissant. Plus particulièrement, le condenseur du dispositif de traitement 8 peut d’une manière générale comporter tout type d’échangeur permettant, par tout moyen, de refroidir les fumées de combustion FC de manière à réaliser une condensation d’au moins une partie de la vapeur d’eau contenue dans les fumées de combustion F. En sortie du dispositif de traitement 8, on obtient dans ce cas des fumées de combustion FC’ (riches en CO2) déshumidifiées contenant principalement les produits de combustion en phase gazeuse produits par la combustion dans le dispositif de combustion 1 , et ayant une humidité absolue inférieure à celle des fumées de combustion FC à l’entrée du dispositif de traitement 8.
Ce dispositif 8 de traitement des fumées de combustion peut également être adapté pour dépolluer les fumées de combustion et de préférence pour capter un ou plusieurs polluants choisis parmi la liste suivante : particules fines, SOx, NOx, acides, métaux lourds, ammoniac, COV. On obtient dans ce cas en sortie du dispositif de traitement 8 des fumées de combustion FC’ (riches en CO2) déshumidifiées et dépolluées.
Dans une variante de réalisation, l’installation peut être dépourvue de dispositif de traitement 8 ou le dispositif de traitement 8 peut être dépourvu de moyen de déshumidification des fumées de combustion et comporter uniquement des moyens de dépollution des fumées de combustion. Dans ce cas, l’installation comporte de préférence un dispositif de traitement, qui est monté sur la boucle de recyclage 40 en aval ou de préférence en amont du ventilateur ou compresseur de recyclage VR, et qui est adapté pour traiter les fumées de combustion recyclées dans la boucle de recyclage 40 afin au moins de les déshumidifier.
L’unité de commande 7 permet de piloter automatiquement le ventilateur ou compresseur de recyclage VR et l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC, et plus particulièrement dans cette variante le dispositif de contrôle de débit 32, au moyen respectivement des signaux de commande C2 et C1 , d’une manière générale de manière à contrôler la composition du gaz comburant GC.
Plus particulièrement, l’unité de commande 7 permet de piloter automatiquement le ventilateur ou compresseur de recyclage VR et l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC de manière à permettre avantageusement de faire fonctionner l’installation dans un mode de fonctionnement choisi parmi au moins deux modes de fonctionnement différents (M1 et M2) détaillés ci-après et permettre le passage d’un mode de fonctionnement (M1 ou M2) à l’autre (M2 ou M1 ).
Modes de fonctionnement du système de combustion
Le système de combustion de la figure 1 peut être configuré par l’unité de commande 7 pour fonctionner dans au moins deux modes de fonctionnement principaux différents :
M1 (Figure 2) : un mode fonctionnement dit « combustion classique » dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage VR est à l’arrêt et la vanne V1 du dispositif de contrôle de débit 32 est fermée (F).
M2 (Figures 3 et 4) : un mode de fonctionnement dit « oxycombustion avec recyclage » dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage VR fonctionne et est piloté par l’unité de commande 7 et la vanne V1 du dispositif de contrôle de débit 32 est ouverte (O).
Le passage d’un mode (M1 ou M2) de fonctionnement à l’autre (M2 ou M1 ) peut être piloté par l’unité de commande 7 simplement en commandant de manière appropriée le ventilateur ou compresseur de recyclage VR, et le dispositif de contrôle de débit 32 (plus particulièrement la vanne V1 ). Le passage d’un mode (M1 ou M2) de fonctionnement à l’autre (M2 ou M1 ) peut avantageusement être réalisé sans stopper la combustion, et en particulier sans altérer la combustion dans le dispositif de combustion 1 , et sans arrêter le dispositif de combustion 1 .
Mode de fonctionnement M1- « combustion classique » - Figure 2
Dans ce mode de fonctionnement, la vanne V1 d’alimentation en dioxygène provenant de la source 30 a été fermée (F) par l’unité de commande 7 et le ventilateur ou compresseur de recyclage VR est à l’arrêt.
Le ventilateur 10 (ou compresseur) du dispositif de combustion 1 fonctionne en imposant à l’entrée du dispositif de combustion 1 un débit 0GC de gaz comburant GC, qui peut varier.
Le mélangeur 31 n’est pas alimenté en dioxygène provenant de la source 30. Le mélangeur 31 est alimenté uniquement avec de l’air entrant qui est aspiré via la dérivation 6 et qui est acheminé jusqu’à l’entrée du mélangeur 31. Une combustion classique est ainsi réalisée dans l’installation de combustion 1 au moyen de cet air entrant utilisé comme gaz comburant.
Les fumées de combustion FC, après avoir été traitées (FC’) en passant dans le dispositif de traitement 8, ne recirculent pas jusqu’au mélangeur 31 mais sont évacuées à l’air libre dans l’atmosphère en étant poussées par le ventilateur (ou compresseur) 10 dans la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5.
Dans une variante de réalisation et de manière optionnelle, la boucle de recyclage 40 peut également être équipée de registres d’arrêt des fumées, qui sont commandés par l’unité de commande 7 en mode de fonctionnement M1 et qui sont ouverts par l’unité de commande 7 dans le mode de fonctionnement M2 (recyclage d’au moins une partie de fumées de combustion). Ces registres peuvent également être actionnés manuellement. Mode de fonctionnement M2 - « oxycombustion avec recyclage » - Figures 3 et 4
Dans ce mode de fonctionnement, Le ventilateur 10 (ou compresseur) de l’installation de combustion fonctionne en imposant à l’entrée de l’installation 1 un débit donné ( GC) de gaz comburant GC gui peut varier.
L’unité de commande 7 commande automatiguement l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC, et en particulier le dispositif de contrôle de débit 32, en fonction de la concentration en dioxygène mesurée dans le gaz comburant GC au moyen du capteur 33 (signal S), de manière à produire un gaz ayant un taux de dioxygène approprié (par exemple fixé par une consigne de préférence paramétrable) gui est exigé ou demandé par la combustion.
L’unité de commande 7 commande également automatiguement le démarrage du ventilateur ou compresseur de recyclage VR et commande automatiguement ce ventilateur ou compresseur de recyclage VR, en fonction de la pression ou du débit mesuré par le capteur 51 .
En particulier, l’unité de commande 7 commande automatiguement le ventilateur ou compresseur de recyclage VR, jusgu’à ce gue le débit ou la pression mesuré par ce capteur 51 atteigne au moins une consigne de fonctionnement prédéfinie et de préférence paramétrable, et régule automatiguement le débit de ce ventilateur ou compresseur de recyclage VR de manière à maintenir ladite pression ou ledit débit mesuré par le capteur 51 à cette consigne de fonctionnement ou au voisinage de cette consigne de fonctionnement.
Cette consigne de fonctionnement est fixée de telle sorte gue le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR est inférieur au débit des fumées de combustion FC en sortie du dispositif de traitement 8 ou, en l’absence de dispositif de traitement 8, en sortie du dispositif de combustion 1 , de manière à recycler vers le mélangeur 31 au moins une partie FC2 des fumées de combustion, l’autre partie FC1 étant évacuée à l’air libre dans l’atmosphère via la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5.
Plus la pression ou le débit mesuré par le capteur 51 est faible, et plus le débit des fumées de combustion FC2 recyclées en direction du mélangeur 31 est important.
Dans le mode de fonctionnement M2 de cette variante de réalisation, si le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR devient, par exemple accidentellement, supérieur au débit des fumées de combustion (FC ou FC’) en amont du raccordement 40a de la boucle de recyclage, dans ce cas de manière automatique et en toute sécurité, l’intégralité des fumées de combustion est recyclée (FC2 = FC’) vers le mélangeur 31 , et aucune fumée de combustion FC1 n’est évacuée dans l’atmosphère, mais au contraire de l’air entrant, en provenance de l’air ambiant, est automatiquement aspiré en complément dans la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5 et est acheminé dans la boucle de recyclage 40 jusqu’à l’entrée du mélangeur 31. La combustion dans le dispositif de combustion 1 ne subit avantageusement aucune perturbation car la pression dans la partie aval 5b (débouchant à l’air libre) du circuit principal d’évacuation 5 n’est pas modifiée.
Ce mode de fonctionnement M2 comporte en pratique deux phases de fonctionnement :
- une première phase de fonctionnement dite « oxycombustion dégradée », qui est illustrée sur la figure 3.
- une deuxième phase de fonctionnement dite « oxycombustion améliorée » illustrée sur la figure 4
Phase de fonctionnement de la figure 3 - « oxycombustion dégradée »
Tant que le débit de recyclage du ventilateur ou compresseur de recyclage VR est suffisamment faible, une partie FC1 des fumées de combustion traitées FC’ (après passage dans le dispositif de traitement 8) est évacuée dans l’air ambiant via la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5 et une autre partie FC2 des fumées de combustion traitées FC’ (après passage dans le dispositif de traitement 8) est recyclée dans la boucle de recyclage 40 jusqu’à l’entrée du mélangeur 31 .
Le mélangeur 31 est alimenté en gaz riche en dioxygène provenant de la source 30 (vanne V1 ouverte) avec un débit (002) et est alimenté avec les fumées de combustion traitées FC2 avec un débit .
Le mélangeur 31 est également alimenté avec de l’air qui est aspiré dans l’air ambiant, via la dérivation 6, avec un débit d’air entrant 0AIR et qui est acheminé jusqu’au mélangeur 31 , via la portion de la boucle de recyclage 40 en aval du raccordement 40a de la dérivation 6 avec la boucle de recyclage 40, en même temps que les fumées de combustion FC2.
En fonctionnement : 0GC = 002 + 0 + 0AIR
Cette phase de fonctionnement perdure tant que le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR est en dessous d’un seuil critique.
Dans cette phase de fonctionnement, le gaz comburant GC contient du dioxygène provenant du gaz riche en dioxygène fourni par la source 30, les fumées de combustion traitées et recyclées FC2 (riches en CO2) et de l’air.
Dans cette phase de fonctionnement, lorsque le débit 002 de gaz riche en dioxygène à l’entrée du mélangeur 31 augmente et/ou lorsque le débit 0 des fumées de combustion traitées recyclées FC2 à l’entrée du mélangeur 31 augmente, le débit d’air 0AIR aspiré dans la deuxième dérivation 6 diminue automatiquement. Inversement lorsque le débit 0Û2 de gaz riche en dioxygène à l’entrée du mélangeur 31 diminue et/ou lorsque le débit 0des fumées de combustion traitées et recyclées FC2 à l’entrée du mélangeur 31 diminue le débit d’air 0AIR aspiré dans la deuxième dérivation 6 augmente automatiquement.
Phase de fonctionnement de la figure 4 - « oxycombustion améliorée »
On bascule automatiquement dans cette phase de fonctionnement, lorsque le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR passe au- dessus d’un seuil critique se traduisant par une inversion de flux gazeux dans la dérivation 6, de l’air n’étant plus aspiré dans cette dérivation 6, mais une partie FC22 des fumées de combustion traitées et recyclées FC2 étant évacuée automatiquement dans la dérivation 6 et la partie restante FC21 des fumées de combustion traitées et recyclées FC2 étant acheminée à l’entrée du mélangeur 31.
Dans cette phase de fonctionnement, le mélangeur 31 est alimenté en dioxygène provenant du gaz riche en dioxygène de la source 30 (vanne V1 ouverte) avec un débit donné (002) et est alimenté avec un débit 01 avec la partie FC21 des fumées de combustion traitées et recyclées FC2; l’autre partie FC22 des fumées de combustion traitées et recyclées FC2 est évacuée dans la dérivation 6 avec un débit 02.
En fonctionnement :
0= 01 + 02
0GC = 002 + 01
Lorsque le débit 0Û2 de gaz riche en dioxygène à l’entrée du mélangeur 31 est augmenté, le débit 01 de la partie recyclée FC21 des fumées de combustion FC2 diminue automatiquement et lorsque le débit 0Û2 de gaz riche en dioxygène à l’entrée du mélangeur 31 est diminué, le débit 01 de la partie recyclée FC21 des fumées de combustion FC2 augmente automatiquement.
Le gaz comburant GC contient ainsi du dioxygène provenant du gaz riche en dioxygène de la source 30 et la partie FC21 des fumées de combustion FC2.
Le passage d’une phase de fonctionnement à l’autre peut facilement et en toute sécurité être contrôlée par l’unité de commande 7 en ajustant automatiquement le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR et de manière avantageuse sans devoir mettre le dispositif de combustion 1 à l’arrêt et sans devoir stopper la combustion dans le dispositif de combustion 1.
De préférence, dans le mode fonctionnement M2, l’unité de commande 7 régule automatiquement le débit Û2 de gaz riche en dioxygène (par exemple en fermant plus ou moins la vanne V1 ) de telle sorte que la concentration en dioxygène mesurée par le capteur 33 dans le gaz comburant GC est égale ou supérieure à une consigne de fonctionnement donnée ou est dans une plage de fonctionnement donnée. Ceci permet au système de s’adapter automatiquement aux variations de débit 0GC de gaz comburant GC (imposées par le dispositif de combustionl ), en maintenant une concentration appropriée de dioxygène O2 dans le gaz comburant GC.
Le système de combustion de la figure 1 peut notamment, mais pas exclusivement, fonctionner avec un combustible C produisant dans la phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée » des fumées de combustion FC qui contiennent principalement du dioxyde de carbone (CO2) et de la vapeur d’eau (H2O), et dans une moindre mesure du dioxygène (O2) et de l’oxyde de carbone (CO).
Ainsi, de manière non limitative et non exhaustive, le combustible C utilisé dans le système de combustion de la figure 1 peut avantageusement être un hydrocarbure de tout type, et par exemple un hydrocarbure conventionnel issu du pétrole ou gaz naturel ou un hydrocarbure non conventionnel issu du gaz ou pétrole de schiste, des schistes ou sables bitumeux, du gaz de houille, du biogaz, du singaz, etc.
Par exemple, lorsque le combustible C est un hydrocarbure saturé de type alcane (CnH2n+2), la réaction d’oxycombustion dans l’installation est de manière connue :
CnH2n+2 + (3n+1 )/2 O2 nCÛ2 + (n+1 )H2O - Energie (kJ/mole de CnH2n+2) Le combustible peut être également un combustible notamment solide ou liquide issu de l’extraction (charbon, bois, ... ) ou peut comporter des déchets (plastiques, matériaux de récupération, ...)
Le recyclage à l’entrée du mélangeur 31 du gaz de combustion contenant du CO2 permet de manière connue en soi, de mieux contrôler la réaction d’oxycombustion dans le dispositif de combustion 1 et d’abaisser significativement la température de combustion dans ce dispositif de combustion 1 , comparativement à une réaction d’oxycombustion qui serait réalisée à partir uniquement ou essentiellement de dioxygène pur comme comburant.
Le système de combustion peut avantageusement fonctionner sans limite de temps dans le mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans ladite phase « oxycombustion dégradée » avec une entrée partielle de l’air au moins par la dérivation 6 (et éventuellement par une autre entrée d’air secondaire ou une entrée de gaz comburant secondaire raccordée directement au dispositif de combustion 1 ), et un rejet partiel dans l’atmosphère d’une partie FCi des fumées de combustion FC (en l’absence de dispositif de traitement 8) ou FC’ (avec dispositif de traitement), via la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5.
De préférence, lorsque le système de combustion a basculé dans le mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage »), l’unité de commande 7 régule automatiquement le débit 002 de dioxygène (par exemple dans ce cas particulier en fermant plus ou moins la vanne progressive V1 ) en utilisant le signal de mesure S de la concentration en dioxygène dans le gaz comburant G.
Le passage du mode de fonctionnement M1 (« combustion classique ») au mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») est simple et sécurisé, les risques de montée en température intempestive et non contrôlée du dispositif de combustion 1 étant évités. Le passage du mode de fonctionnement M1 (« combustion classique ») au mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») ne nécessite avantageusement aucune intervention de l’utilisateur sur le dispositif de combustion 1 et surtout ne nécessite pas de stopper la combustion.
Le passage du mode de fonctionnement M1 au mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage), en phase de « oxycombustion dégradée » ou en phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée », peut être demandé à l’unité de commande 7, à l’initiative de l’utilisateur du système de combustion, au moyen par exemple d’une commande manuelle de changement de mode de fonctionnement.
Le passage du mode de fonctionnement M1 au mode de fonctionnement M2 peut également être mis en œuvre lors du démarrage du système de combustion en vue de le faire fonctionner en « oxycombustion avec recyclage » (M2).
Procédure de démarrage du système de combustion
Lorsqu’un utilisateur souhaite démarrer le système de combustion en vue de le faire fonctionner en « oxycombustion avec recyclage » (M2), il demande à l’unité de commande 7, au moyen d’une commande appropriée, d’exécuter une procédure de démarrage.
L’unité de commande 7 exécute cette procédure de démarrage en configurant dans un premier temps le système de combustion en mode de fonctionnement M1 (« combustion classique »).
Puis le dispositif de combustion 1 est démarré, notamment en mettant en fonctionnement au moins le ventilateur (ou compresseur 10) du dispositif de combustion 1 , soit manuellement par l’utilisateur, soit de manière automatisée par exemple par l’unité de commande 7, ce qui permet dans un premier temps de faire fonctionner le système en combustion classique (M1 ).
Ensuite, dans un deuxième temps, l’unité de commande 7 pilote le système de combustion, de manière à basculer automatiquement en « oxycombustion avec recyclage » (M2), tel que précédemment décrit, en choisissant la phase de fonctionnement dite « oxycombustion dégradée » ou la phase de fonctionnement dite « oxycombustion améliorée ».
Une telle phase de démarrage est avantageusement simple et sécurisée. En particulier, comparativement à un système de combustion de l’art antérieur qui est adapté pour fonctionner uniquement en mode d’oxycombustion améliorée avec recyclage des fumées de combustion, on évite pendant la phase de démarrage les risques de montée en température intempestive et non contrôlée, qui sont inhérents dans ce type d’installation de l’art antérieur du fait d’une concentration initiale de dioxygène importante dans le gaz comburant et d’une concentration initiale de CO2 faible. Exemple de pilotage du système de combustion pour passer du mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») au mode de fonctionnement M1 (« combustion classigue »)
On suppose gue le système de combustion est configuré en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage »).
Le dispositif de combustion 1 fonctionne, le ventilateur ou compresseur de recyclage VR fonctionne et le ventilateur 10 (ou compresseur) de l’installation de combustion 1 fonctionne en imposant un débit donné ( GC) de gaz comburant GC constitué d’air à l’entrée de l’installation 1.
Pour passer de ce mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») au mode de fonctionnement M1 (« combustion classigue »), il suffit à l’unité de commande 7 de commander le ralentissement jusgu’à l’arrêt du ventilateur ou compresseur de recyclage VR, puis de commander la fermeture de la vanne V1 .
Le passage du mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») au mode de fonctionnement M1 (« combustion classigue ») est simple, rapide et sécurisé, les risgues de montée en température intempestive et non contrôlée de l’installation de combustion 1 étant évités. Le passage du mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») au mode de fonctionnement M1 (« combustion classigue ») ne nécessite avantageusement aucune intervention de l’utilisateur sur le dispositif de combustion 1 et surtout ne nécessite pas de stopper la combustion.
Le passage du mode de fonctionnement M2 au mode de fonctionnement M1 peut être demandé à l’unité de commande 7, à l’initiative de l’utilisateur du système de combustion, au moyen par exemple d’une commande manuelle de changement de mode de fonctionnement.
Le passage du mode de fonctionnement M2 au mode de fonctionnement M1 peut également être mis en œuvre lors d’une procédure d’arrêt du fonctionnement du système de combustion.
Procédure d’arrêt du système de combustion Lorsqu’un utilisateur souhaite arrêter le système de combustion alors que celui-ci fonctionne en « oxycombustion avec recyclage » (M2), il demande à l’unité de commande 7, au moyen d’une commande appropriée, d’exécuter une procédure d’arrêt.
L’unité de commande 7 exécute cette procédure d’arrêt en commandant le ralentissement jusqu’à l’arrêt du ventilateur ou compresseur de recyclage VR, tel que précédemment décrit, puis en commandant la fermeture de la vanne V1 du dispositif 32 de contrôle de débit de gaz riche en dioxygène afin de passer du mode de fonctionnement M2 au mode de fonctionnement M1.
Une fois que le système de combustion est configuré dans ce mode de fonctionnement M1 (« oxycombustion classique »), le dispositif de combustion 1 peut être mis à l’arrêt de manière usuelle et connue sans encourir aucun risque.
Une telle phase d’arrêt est avantageusement simple et sécurisée. En particulier, comparativement à un système de combustion de l’art antérieur qui est adapté pour fonctionner uniquement en oxycombustion avec recyclage des fumées de combustion, on évite pendant la phase d’arrêt les risques de montée en température intempestive et non contrôlée, qui sont inhérents dans ce type d’installation de l’art antérieur.
Le passage du mode de fonctionnement M2 au mode de fonctionnement M1 peut également être mis en œuvre lorsque la concentration de dioxygène (fourni par la source 30) dans le gaz comburant GC devient insuffisante et ne permet plus une oxycombustion améliorée avec recyclage du gaz de combustion.
Cette insuffisance peut avoir plusieurs causes éventuellement cumulatives.
Il peut arriver par exemple qu’au cours du fonctionnement du système de combustion en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage »), et notamment dans la phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée »), une interruption accidentelle de l’alimentation en dioxygène se produise, par exemple du fait d’un arrêt intempestif de la production in situ de gaz riche en dioxygène par la source 30 ou d’une source 30 de gaz riche en dioxygène qui est vide.
Il peut arriver par exemple qu’au cours du fonctionnement du système de combustion en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage »), et notamment dans la phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée », que l’alimentation en dioxygène diminue de manière trop importante, par exemple du fait d’un ralentissement intempestif de la production in situ de gaz riche en dioxygène par la source 30 ou d’une trop faible pression dans la source 30.
Il peut arriver par exemple qu’au cours du fonctionnement du système de combustion en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et notamment dans la phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée », que le dispositif de combustion 1 soit sollicité pour fournir plus d’énergie thermique et pour y répondre augmente le débit GC (augmentation du débit du ventilateur ou compresseur 10) en gaz comburant GC. Dans ce cas le complément de gaz comburant est automatiquement injecté à travers la dérivation 6.
Si le dispositif de combustion 1 diminue la fourniture d’énergie thermique, ce qui se traduit par une baisse du besoin du gaz comburant GC, l’excès du gaz comburant est rejeté via la dérivation 6 et le système de commande 7 règle le cas échéant la vanne V1 pour réduire l’injection du dioxygène dans le mélangeur 31 .
Dans une installation traditionnelle apte à fonctionner uniquement en oxycombustion avec recyclage des fumées de combustion, une baisse trop importante de la concentration en dioxygène dans le gaz comburant GC peut occasionner de manière préjudiciable un arrêt intempestif de l’oxycombustion.
Un tel arrêt intempestif peut avantageusement être évité au moyen du système de combustion de l’invention.
A cet effet, l’unité de commande 7 est de préférence conçue pour surveiller, au moyen du capteur 33, la concentration en dioxygène dans le gaz comburant GC et lorsque la concentration en dioxygène diminue, pour détecter automatiquement si cette concentration en dioxygène atteint un seuil minimum critique prédéfini et de préférence paramétrable, et dans l’affirmative pour commander automatiquement le système de combustion, de manière à le faire basculer (tel que précédemment décrit) en toute sécurité en mode de fonctionnement M1 (« combustion classique »), sans stopper la combustion dans le dispositif de combustion 1 .
Système de combustion de la figure 1 / Captage de CO2
Dans la variante particulière de la figure 1 , mais de manière optionnelle, le système de combustion comporte avantageusement un dispositif 11 de captage du dioxyde de carbone (CO2) raccordé à la dérivation 6 et adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie des fumées de combustion recyclées sortantes (FC22/ Figure 4) circulant dans ladite dérivation 6.
Plus particulièrement, ce dispositif de captage 11 comporte un ventilateur ou compresseur 110 qui permet d’aspirer une partie de fumées de combustion recyclées sortantes (FC22/ Figure 4) circulant dans la dérivation 6 et d’alimenter une unité 111 de captage de CO2 (connue en soi).
De préférence, ce dispositif de captage 11 et en particulier le ventilateur ou compresseur 110, est commandé automatiquement (par l’unité de commande 7 au moyen du signal de commande C3) ou par une autre unité de commande) en fonction de la pression ou du débit des fumées de combustion sortantes circulant dans la dérivation 6, cette pression ou ce débit étant mesuré par un capteur 60 délivrant un signal de mesure Sœ.
D’autres exemples non exhaustifs de système de combustion conformes à l’invention et pouvant fonctionner dans les modes de fonctionnement M1 (« combustion classique ») et M2 (« combustion avec recyclage ») vont à présent être décrits.
Système de combustion des figures 5 à 8
Le système de combustion de la figure 5 se différencie de celui de la figure 1 en ce que le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5 est situé en amont du dispositif de traitement 8, entre la sortie 1a du dispositif de combustion 1 et l’entrée de ce dispositif de traitement 8, et en ce qu’un dispositif de traitement supplémentaire 8’ est monté sur la boucle de recyclage 40, de préférence en amont du ventilateur ou compresseur de recyclage VR, c’est-à-dire entre le ventilateur ou compresseur de recyclage VR et le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5.
En variante, le dispositif de traitement supplémentaire 8’ peut être monté sur la boucle de recyclage 40 en aval du ventilateur ou compresseur de recyclage VR.
Le dispositif de traitement 8 peut être adapté pour dépolluer les fumées de combustion non recyclées, avant leur évacuation dans l’air ambiant et de préférence pour capter un ou plusieurs polluants choisis parmi la liste suivante : particules fines, SOx, NOx, acides, métaux lourds, ammoniac, COV. Le dispositif de traitement 8’ est de préférence adapté pour au moins déshumidifier les fumées de combustion recyclées dans la boucle de recyclage 40 et comporte plus particulièrement au moins un condenseur ou plusieurs condenseurs en cascade.
Les explications données précédemment sur les modes de fonctionnement M1 et M2 et sur la commande par l’unité commande 7 du ventilateur ou compresseur de recyclage VR et de l’unité 3 d’alimentation en gaz comburant GC sont transposables à cette variante de la figure 5.
En référence à la figure 6 et comme pour la variante de la figure 2, en mode de fonctionnement M1 (« combustion classique), le gaz comburant GC est constitué par l’air aspiré par la dérivation 6 (la vanne V1 étant fermée et le ventilateur ou compresseur de recyclage VR étant à l’arrêt) et les fumées de combustion FC sont dans leur intégralité traitées en passant dans le dispositif de traitement 8 et sont évacuées (FC’) dans l’air ambiant.
En référence à la figure 7 et de manière comparable à la variante de la figure 3, en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans la phase de fonctionnement « oxycombustion dégradée », le ventilateur ou compresseur de recyclage VR fonctionne et la vanne V1 est ouverte ; une partie FCi des fumées de combustion FC est évacuée dans l’air ambiant après avoir été traitée (dispositif de traitement 8) et l’autre partie FC2 des fumées de combustion FC est recyclée dans la boucle de recyclage 40 jusqu’à l’entrée du mélangeur 31 en ayant été préalablement traitée dans le dispositif de traitement 8’. De l’air est également aspiré dans la dérivation 6 et alimente également le mélangeur 31. L’autre entrée du mélangeur 31 est alimentée en dioxygène provenant du gaz riche en dioxygène de la source 30 (vanne V1 ouverte) avec un débit donné (002).
En référence à la figure 8 et de manière comparable à la variante de la figure 4, en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage ») et dans la phase de fonctionnement « oxycombustion améliorée », le ventilateur ou compresseur de recyclage VR fonctionne et la vanne V1 est ouverte. Une partie FC1 des fumées de combustion FC est évacuée dans l’air ambiant après avoir été traitée (dispositif de traitement 8) et l’autre partie FC2 des fumées de combustion FC est recyclée dans la boucle de recyclage 40 et est traitée dans le dispositif de traitement 8’. Une entrée du mélangeur 31 est alimentée avec un débit 01 avec une partie FC21 des fumées de combustion recyclées FC2 et traitées, l’autre partie FC22 des fumées de combustion recyclées FC2 et traitées étant évacuée dans la dérivation 6 avec un débit 02.
L’autre entrée du mélangeur 31 est alimentée en dioxygène provenant du gaz riche en dioxygène de la source 30 (vanne V1 ouverte) avec un débit donné (0O2).
Système de combustion de la figure 9 - condenseur 34 en aval du mélangeur 31
Le système de combustion de la figure 9 se différencie de celui de la figure 1 en ce qu’un condenseur 34 a été ajouté. Ce condenseur 34 est alimenté en entrée par le mélangeur 31 et est raccordé en sortie au dispositif de combustion 1 et alimente le dispositif de combustion 1 avec le gaz comburant GC. Dans cette variante, lorsque le système de combustion est en mode de fonctionnement M2 (« oxycombustion avec recyclage »), les fumées de combustion FC sont recyclées jusqu’au mélangeur 31 sans nécessairement avoir été déshumidifiées dans le dispositif de traitement 8, une déshumidification étant réalisée au moins par le condenseur 34.
Dans une autre variante, le condenseur 34 pourrait être monté en dérivation (« by-pass ») comme le dispositif de traitement 8 de la figure 12. Système de combustion de la figure 10
Le système de combustion de la figure 10 se différencie de celui de la figure 1 principalement en ce que l’unité de commande 7 est adaptée pour commander le ventilateur ou compresseur de recyclage VR) en fonction au moins du débit ou de la pression mesurée au moins par ledit capteur 60 (et non plus par le capteur 51 comme dans la variante de la figure 1 ) pendant au moins le mode de fonctionnement M2 avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
Plus la pression ou le débit mesuré par le capteur 60 est importante, et plus le débit des fumées de combustion recyclées FC2 dans la boucle de recyclage 40 est important
En particulier, l’unité de commande 7 commande automatiquement le ventilateur ou compresseur de recyclage VR, jusqu’à ce que le débit ou la pression mesuré par ce capteur 60 atteigne au moins une consigne de fonctionnement prédéfinie et de préférence paramétrable, et régule automatiquement le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR de manière à maintenir ladite pression ou ledit débit mesuré à cette consigne de fonctionnement ou au voisinage de cette consigne de fonctionnement.
Cette consigne de fonctionnement est fixée de telle sorte que le débit du ventilateur ou compresseur de recyclage VR est inférieur au débit des fumées de combustion FC en sortie du dispositif de traitement 8 ou, en l’absence de dispositif de traitement 8, en sortie du dispositif de combustion 1 , de manière à recycler vers le mélangeur 31 au moins une partie FC2 des fumées de combustion, l’autre partie FC1 étant évacuée à l’air libre dans l’atmosphère via la partie aval 5b du circuit principal d’évacuation 5.
Les explications qui ont été données précédemment sur le fonctionnement du système de combustion de la figure 1 sont transposables au système de combustion de la figure 7.
Dans la variante particulière de la figure 10, mais de manière optionnelle, le système de combustion comporte avantageusement un dispositif 11’ de captage du dioxyde de carbone (CO2) raccordé à la partie aval 5b du circuit d’évacuation principal 5 et adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie des fumées de combustion sortantes FCi.
Plus particulièrement, ce dispositif de captage comporte un ventilateur ou compresseur 110 qui permet d’aspirer une partie de fumées de combustion FC circulant dans la partie aval 5b du circuit d’évacuation principal 5 et d’alimenter une unité 111 de captage de CO2 (connue en soi).
De préférence, ce dispositif de captage 11’, et en particulier le ventilateur ou compresseur 110, est commandé automatiquement (par l’unité de commande 7 ou par une autre unité de commande) en fonction de la pression ou du débit des fumées de combustion circulant dans la partie aval 5b du circuit d’évacuation principal 5, ladite pression ou ledit débit étant mesuré par le capteur 51 .
Système de combustion de la figure 11
Le système de combustion de la figure 11 se différencie de celui de la figure 10 en ce que de manière comparable à la figure 5, le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’évacuation 5 est situé en amont du dispositif de traitement 8, entre la sortie 1a du dispositif de combustion 1 et l’entrée de ce dispositif de traitement 8, et en ce qu’un dispositif de traitement supplémentaire 8’ est monté sur la boucle de recyclage 40, de préférence en amont du ventilateur ou compresseur de recyclage VR, c’est-à-dire entre le ventilateur ou compresseur de recyclage VR et le raccordement 40a de la boucle de recyclage 40 avec le circuit principal d’alimentation 5. Système de combustion de la figure 12 - dispositif de traitement 8 en « by- pass »
Le système de combustion de la figure 12 se différencie de celui de la figure 1 en ce que le dispositif de traitement 8 est monté en dérivation (« by- pass ») sur le circuit d’évaluation principal.
Ce type de montage est de manière connue adapté pour les dispositifs de traitement 8, qui possèdent leur propre ventilateur ou compresseur, tel que par exemple celui décrit ultérieurement en référence à la figure 14. Les explications qui ont été données précédemment sur le fonctionnement du système de combustion de la figure 1 s’appliquent également à ce système de combustion de la figure 12.
Dans les variantes des figures 5, 9, 10, 11 , 13, le dispositif de traitement 8 ou 8’ peut également être monté en dérivation (« by-pass ») Système de combustion de la figure 13 - injection de CChau démarrage
Le système combustion de la figure 13 se différencie de celui de la figure 1 en ce qu’il comporte un dispositif 12 additionnel raccordé à une entrée du mélangeur 31 et permettant d’injecter du dioxyde de carbone (CO2) gazeux dans le mélangeur 31 pendant la phase transitoire « oxycombustion dégradée » lors du passage du deuxième mode de fonctionnement M2 en phase « oxycombustion dégradée » au deuxième mode de fonctionnement M2 en phase « oxycombustion améliorée », afin de raccourcir la durée de cette phase transitoire.
Ce dispositif 12 d’injection de CO2 comporte par exemple une source 120 de CO2 gazeux sous pression associée à une vanne ou électrovanne vanne 121 commandée par l’unité de commande 7 au moyen d’un signal de commande C4.
Ce dispositif 12 d’injection de CChpeut également être ajouté dans le système de combustion des figures 5, 9, 10, 11 , 12.
Exemple particulier de condenseur - Figure 14
On a représenté sur la figure 14, à titre uniquement d’exemple non limitatif de l’invention, un exemple préféré de condenseur pouvant être utilisé comme condenseur dans le dispositif de traitement 8 ou 8’ d’un système de combustion de l’invention.
Ce condenseur comporte un échangeur 12, qui comprend une enceinte 120 contenant un bain 121 de liquide refroidissant L et des moyens d’injection 123, qui sont adaptés pour introduire le fluide gazeux F à déshumidifier (i.e. fumées de combustion) au-dessous de la surface du bain de liquide refroidissant L.
Le liquide refroidissant L peut être simplement de l’eau ou une solution aqueuse.
Ces moyens d’injection 123 peuvent plus particulièrement comporter un ventilateur ou compresseur 123f et un conduit d’injection 123a comportant une ouverture d’admission 123b, par exemple dans sa partie supérieure 123c. La partie inférieure 123d du conduit d’injection 123a est plongée dans le bain 121 de liquide refroidissant L et comporte une ouverture d’évacuation 123e immergée dans le bain 121 de liquide refroidissant L.
En fonctionnement, le ventilateur ou compresseur 123f permet d’aspirer le fluide gazeux F à déshumidifier et de l’introduire dans le conduit d’injection 123 par l’ouverture d’admission 123b. Ce fluide gazeux F s’échappe du conduit d’injection 123 par l’ouverture d’évacuation 123e, et est de ce fait introduit de manière forcée dans le bain 121 de liquide refroidissant L, au-dessous de la surface du bain 121 de liquide refroidissant L, remonte vers la surface du bain de liquide, s’échappe de l’enceinte 120 par l’ouverture d’évacuation 120a de l’enceinte 120 après avoir été déshumidifié sous la forme d’un gaz déshumidifié F’.
La température TL du liquide refroidissant L est toujours inférieure à la température TF du fluide gazeux F à l’entrée de l’échangeur 12 et est de préférence inférieure à la température de rosée (point de rosée) du fluide gazeux F.
On rappellera que l’humidité absolue (geau/ kgair sec] d’un gaz représente le nombre de grammes de vapeur d’eau présents dans un volume de gaz donné, rapporté à la masse de gaz sec de ce volume exprimé en kilogramme. Sa valeur reste constante même si la température du gaz varie en restant toutefois supérieure au point de rosée du gaz.
Lors de leur passage à travers le bain 121 de liquide refroidissant L, le fluide gazeux F subit une condensation au contact du liquide refroidissant L, de sorte que l’humidité absolue du gaz F’, en sortie de l’échangeur 12 est inférieure à l’humidité absolue du fluide gazeux F à l'entrée de l’échangeur 12.
L’écart entre l’humidité absolue du gaz déshumidifié F’ et l’humidité absolue du fluide gazeux F entrant dépend notamment de l’écart entre la température TF du fluide gazeux F entrant et la température TL plus basse du liquide refroidissant L. Plus l’écart en température AT (AT = TF - TL) entre la température TF du fluide gazeux F entrant et la température TL du liquide refroidissant L est important, et plus l’humidité absolue du gaz déshumidifié F’ sera faible par rapport à l’humidité absolue du fluide gazeux F entrant.
Dans une autre variante, le ventilateur ou compresseur 123f peut être raccordé au conduit d’injection 123 et utilisé de manière à introduire le fluide gazeux F dans ce conduit d’injection 123 en les soufflant à travers l’ouverture d’admission 123b de ce conduit d’injection 123.
L’échangeur 12 peut plus particulièrement être couplé à une pompe à chaleur (non représentée) qui permet de renouveler le liquide L dans le bain en y prélevant des calories de manière à maintenir la température de ce liquide un niveau suffisamment bas.
Dans une autre variante de réalisation, le condenseur peut comporter plusieurs échangeurs 12 montés en cascade.
L’invention n’est pas limitée à la mise en œuvre d’un échangeur 12 du type de celui de la figure 14. Dans d’autres variantes de réalisation, l’échangeur 12 pour la condensation du fluide gazeux F peut par exemple être du type de celui décrit dans la demande de brevet internationale WO201 6/071648 ou dans la demande de brevet internationale W02020/030419 ou peut être un échangeur fonctionnant par pulvérisation du liquide refroidissant L au contact du fluide gazeux F.
L’invention n’est pas limitée à un échangeur fonctionnant avec un liquide refroidissant mais peut être mise en œuvre avec tout autre type connu d’échangeur permettant une déshumidification d’un fluide gazeux.
Avantage de la mise en œuyre du gaz riche en dioxyqène combinée à un rebouclage d’au moins une partie des fumées de combustion
Dans le cas d’une combustion classique, pour une quantité Qd de combustible C à brûler par heure, on utilise un débit D d’air comburant à l’entrée du dispositif de combustion. Après la combustion, on rejette avec un débit X des fumées de combustion qui doivent être traitées en respectant les normes de rejet sur les poussières et les produits chimiques. Plus X est grand, plus le coût de traitement des fumées de combustion est important.
En combustion classique, le débit d’air D (D<X) à l’entrée du dispositif de combustion est défini en fonction du besoin en oxygène pour la combustion et de la gestion du dispositif de combustion (par exemple gestion de la flame dans le foyer de combustion).
En combustion classique, les fumées de combustion contiennent :
- du dioxyde d’azote (N2) avec quasiment le même débit massique que l’air comburant,
- du dioxyde de carbone (CO2) issu de la combustion,
- de l’eau issue de la combustion et le cas échéant de l’évaporation de l’eau pouvant être contenue dans le combustible (par exemple lorsque le combustible est constitué de déchets ou de charbon) et de l’eau issue de l’air comburant,
- du dioxygène (O2) qui n’a pas participé à la combustion
- de polluants qui dépendent du combustible utilisé et qui peuvent par exemple comporter des particules fines, des acides, Nox, SOx, des métaux lourds, de la dioxine, ...
Lorsque le système de combustion de l’invention fonctionne en « oxycombustion » tel que précédemment décrit [ajout du gaz riche en dioxygène contenant au moins 40% de O2 avec rebouclage d’une partie des fumées de combustion], le débit des fumées de combustion en sortie du dispositif de combustion qui ne sont pas recyclées et qui sont rejetées directement dans l’atmosphère et/ou qui sont traitées (par exemple pour le captage de CO2) avant rejet dans l’atmosphère est avantageusement plus faible que le débit X susvisé.
Plus la fraction en O2 dans le gaz riche en dioxygène fourni par la source 30 est importante, et plus le débit des fumées de combustion qui ne sont pas recyclées et sont rejetées est faible
Par exemple, lorsque le gaz riche en dioxygène est du dioxygène pur, on peut en pratique recycler les fumées de combustion avec un débit de recyclage important pouvant atteindre 10/11 de X et rejeter le reste des fumées de combustion, avec un débit qui est avantageusement plus faible et qui peut être de l’ordre de 1/11 de X, soit directement dans l’atmosphère, soit en les traitant préalablement, par exemple afin de capter le CO2, avant rejet dans l’atmosphère et/ou en les dépolluant.
Dans une autre variante de réalisation de l’invention, le mélangeur 31 peut comporter une entrée d’air additionnelle et/ou le dispositif de combustion peut comporter une entrée d’air additionnelle permettant d’injecter de l’air additionnel dans la combustion en plus des fumées de combustion recyclées et en plus du gaz riche en dioxygène. Cela aura un effet simplement sur le coefficient susvisé valant 11 qui sera dans ce cas compris entre 1 et 11 en fonction du débit d’air additionnel injecté dans la combustion via ladite entrée d’air additionnelle.
Lorsque le gaz riche en dioxygène contient 90% de dioxygène, on peut en pratique recycler les fumées de combustion avec un débit de recyclage important pouvant atteindre 9/10 de X et rejeter le reste des fumées de combustion, avec un débit qui est avantageusement plus faible et qui peut être de l’ordre de 1/10 de X, soit directement dans l’atmosphère, soit en les traitant préalablement, par exemple afin de capter le CO2, avant rejet dans l’atmosphère et/ou en les dépolluant, etc.
Il convient de souligner que les contraintes sur la pollution du gaz comburant à l’entrée du dispositif de combustion sont moins importantes que les contraintes environnementales liées à la pollution des fumées de combustion non recyclées et qui sont de plus en plus drastiques. Selon le cas, on peut donc ne pas traiter les fumées de combustion recyclées ou éventuellement réaliser un traitement des fumés de combustion recyclées avant leur entrée dans le mélangeur qui est « léger » et nettement moins coûteux qu’un traitement des fumées non recyclées. Le coût total de traitement des fumées de combustion peut donc avantageusement être abaissé de manière importante.
En contrepartie de cette baisse importante du coût de traitement des fumées de combustion, la production du gaz riche en dioxygène induit un coût de fonctionnement additionnel, qui en pratique augmente avec la fraction de O2 dans le gaz riche en dioxygène, mais qui reste en pratique nettement moins importante que le coût de traitement des fumées de combustion. Il revient donc à l’homme du métier d’adapter et de trouver un compromis au cas par cas entre le coût de production du gaz plus ou moins riche en dioxygène et le coût de traitement des fumées de combustion.
Dans le cadre de l’invention, le gaz riche en dioxygène contient au moins 40% de dioxygène (en dessous de ce seuil, la réduction du débit des fumées non recyclées est en pratique trop faible). De préférence, la fraction de dioxygène gazeux dans le gaz riche en dioxygène est d’au moins 80%, plus préférentiellement d’au moins 90%. Plus particulièrement le gaz riche en dioxygène est avantageusement du dioxygène gazeux pur ou quasi pur (au moins 99% de O2).

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de combustion comportant un dispositif de combustion (1 ) permettant la combustion d’un combustible (C) au moyen d’au moins un gaz comburant (GC) et comportant une sortie (1a) par laquelle il rejette des fumées de combustion (FC), une unité d’alimentation (3) en gaz comburant (GC) qui est raccordée au dispositif de combustion (1 ) et permet d’alimenter le dispositif de combustion (1 ) en gaz comburant (GC), ladite unité d’alimentation (3) en gaz comburant (GC) comportant un mélangeur (31 ) et une source (30) de dioxygène gazeux qui fournit un gaz riche en dioxygène et qui est raccordée à une première entrée du mélangeur (31 ), un circuit principal d’évacuation (5) raccordé à la sortie (1a) du dispositif de combustion (1 ) et débouchant à l’air libre, des moyens de recyclage (4) qui comportent une boucle de recyclage (40) entre le circuit principal d’évacuation (5) et une deuxième entrée du mélangeur (31 ), au moins un ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) monté sur la boucle de recyclage (40) et adapté pour faire circuler un fluide gazeux dans la boucle de recyclage (40), en direction de la deuxième entrée du mélangeur (31 ), depuis un raccordement (40a) de la boucle de recyclage (40) avec le circuit principal d’évacuation (5), une dérivation (6) qui est raccordée à la boucle de recyclage (40) en aval du ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) et qui débouche à l’air libre de manière au moins à pouvoir alimenter le mélangeur (31 ) avec de l’air entrant dans la dérivation (6), et une unité de commande (7) adaptée pour commander au moins le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR).
2. Système de combustion selon la revendication 1 , comportant en outre au moins un capteur (51 ) qui est adapté pour au moins mesurer le débit ou la pression de fluide gazeux sortant dans la partie aval (5b) du circuit d’évacuation principal (5) située en aval du raccordement (40a) de la boucle de recyclage (40) avec le circuit principal d’évacuation (5) et qui délivre un signal (S51) de mesure de pression ou débit traité par l’unité de commande (7).
3. Système de combustion selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre au moins un capteur (60) qui est adapté pour au moins mesurer le débit ou la pression de fluide gazeux sortant dans la dérivation (6), et qui délivre un signal (Seo) de mesure de pression ou débit traité par l’unité de commande (7).
4. Système de combustion selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l’unité de commande (7) est adaptée pour commander le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) en fonction au moins du débit ou de la pression mesurée par ledit capteur (51 ou 60) pendant au moins un mode de fonctionnement (M2) avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
5. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications revendication 1 à 4 , dans lequel l’unité de commande (7) est adaptée pour commander le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) de manière à pouvoir configurer le système de combustion dans un mode de fonctionnement choisi parmi au moins deux modes de fonctionnement différents (M1 ; M2) et à pouvoir passer d’un mode de fonctionnement à l’autre : un premier mode de fonctionnement (M1 ) dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) est à l’arrêt et le mélangeur (31 ) n’est pas alimenté en gaz riche en dioxygène en provenance de la source (3) de dioxygène gazeux et est alimenté par de l’air entrant dans la dérivation (6), et un deuxième mode de fonctionnement (M2), dans lequel le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) fonctionne, et le mélangeur (31 ) est alimenté au moins avec du gaz riche en dioxygène fourni par la source (3) de dioxygène gazeux et avec au moins une partie (FC2 ou FC21) des fumées de combustion rejetées par le dispositif de combustion (1 ).
6. Système de combustion l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la source (30) de dioxygène gazeux est raccordée à ladite première entrée du mélangeur (31 ) via un dispositif (32) de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène qui est commandé par l’unité de commande (7), et de préférence qui comporte une vanne (V1 ) de contrôle de débit qui est commandée par l’unité de commande (7).
7. Système de combustion selon la revendication 6, dans lequel la vanne (V1 ) de contrôle de débit est une vanne à ouverture et fermeture progressives.
8. Système de combustion selon la revendication 6 ou 7, dans lequel l’unité de commande (7) est adaptée pour commander au moins le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR), et le cas échéant le dispositif (32) de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène, de manière à pouvoir passer d’un mode de fonctionnement (M1 ou M2) à l’autre (M2 ou M1 ) sans arrêter la combustion dans le dispositif de combustion (1 )
9. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comportant au moins un capteur (33) adapté pour mesurer la concentration en dioxygène dans le gaz comburant (GC) et dans lequel l’unité de commande (7) est adaptée pour commander le dispositif (32) de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène en fonction de la concentration en dioxygène mesurée par ce capteur (33) au moins pendant un mode de fonctionnement (M2) avec recyclage d’au moins une partie des fumées de combustion.
10. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le dispositif de combustion (1 ) comporte un ventilateur ou compresseur (10) adapté pour alimenter le dispositif de combustion (1 ) en gaz comburant (GC) avec un débit ( GC) donné, qui est de préférence variable.
11 . Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le débit d’alimentation du dispositif de combustion (1 ) en combustible (C) est variable et le dispositif de combustion (1 ) comporte un ventilateur ou compresseur (10) adapté pour alimenter le dispositif de combustion (1 ) en gaz comburant (GC) avec un débit ( GC) qui varie en fonction du débit d’alimentation du dispositif de combustion (1 ) en combustible (C).
12. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , comportant un dispositif (8) de traitement des fumées de combustion (FC) qui est monté sur le circuit d’évacuation principal (5).
13. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, comportant un dispositif (8’) de traitement des fumées de combustion recyclées (FC2) qui est monté sur la boucle de recyclage (40) de préférence entre le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR) et le raccordement (40a) de la boucle de recyclage (40) avec le circuit principal d’évacuation (5).
14. Système de combustion selon la revendication 12 ou 13, dans lequel le dispositif de traitement (8 ou 8’) est adapté pour déshumidifier les fumées de combustion (FC ou FC2).
15. Système de combustion la revendication 14, dans lequel le dispositif de traitement (8 ou 8’) comporte un condenseur (34).
16. Système de combustion selon la revendication 15, dans lequel le condenseur comporte au moins un échangeur (120) comportant un liquide refroidissant (L).
17. Système de combustion selon la revendication 16, dans lequel l’échangeur (120) comporte un bain (121 ) de liquide refroidissant (L), et des moyens d’injection (123) permettant de faire passer le fluide gazeux (FC ou FC2) à déshumidifier à travers ce bain de liquide refroidissant (L), et de préférence dans lequel les moyens d’injection (123) permettent d’injecter le fluide gazeux (FC ou FC2) à déshumidifier au-dessous de la surface de ce bain (121 ) de liquide de refroidissant (L).
18. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 12 à 17, dans lequel le dispositif de traitement (8 ou 8’) est adapté pour dépolluer les fumées de combustion (FC ou FC2) et plus particulièrement pour capter un ou plusieurs polluants choisis parmi la liste suivante : particules fines, SOx, NOx, acides, métaux lourds, ammoniac, COV.
19. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 18, comportant au moins un capteur (33) adapté pour mesurer la concentration en dioxygène dans le gaz comburant (GC) et dans lequel l’unité de commande (7) est adaptée pour commander le dispositif (32) de contrôle du débit du gaz riche en dioxygène et le ventilateur ou compresseur de recyclage (VR), en fonction de la concentration mesurée en dioxygène dans le gaz comburant (GC), et de préférence de manière à passer d’un mode de fonctionnement (M2) avec recyclage d’au moins une partie (FC2 ou FC21) des fumées de combustion à un mode de fonctionnent (M1 ) sans recyclage des fumées de combustion.
20. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 19, comportant un dispositif (11 ) de captage du dioxyde de carbone (CO2), qui est raccordé à la dérivation (6) et qui est adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie des fumées de combustion recyclées sortantes (FC21) évacuées via ladite dérivation (6) et/ou comportant un dispositif (11’) de captage du dioxyde de carbone (CO2), qui est raccordé à la partie aval (5b) du circuit d’évacuation principal (5) située en aval du raccordement (40a) de la boucle de recyclage (40) avec le circuit principal d’évacuation (5) et qui est adapté pour capter le dioxyde de carbone (CO2) dans au moins une partie (FC1) des fumées de combustion non recyclées sortantes évacuées via ladite partie aval (5b) du circuit d’évacuation principal (5).
21. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 20, dans lequel le gaz riche en dioxygène fourni par la source (30) de dioxygène gazeux comporte au moins 50% de dioxygène, de préférence au moins 80% de dioxygène, et plus préférentiellement encore au moins 90% de dioxygène.
22. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 20, dans lequel le gaz riche en dioxygène fourni par la source (30) de dioxygène gazeux est du dioxygène pur ou quasi pur.
23. Système de combustion selon l’une quelconque des revendications 1 à 22, comportant un dispositif (12) d’injection de dioxyde de carbone raccordé à une entrée du mélangeur (31 ) et adaptée pour d’injecter du dioxyde de carbone (CO2) gazeux dans le mélangeur (31 ) pendant une phase particulière (« oxycombustion dégradée ») du mode de fonctionnement (M2) avec recyclage des fumées de combustion.
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