Domaine technique
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La présente invention concerne le domaine des torchères industrielles.
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La présente invention concerne plus particulièrement le domaine des torchères fermées, aussi appelées oxydeurs thermiques, torchères à flamme cachée, ou encore torchères à flamme non visible.
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Par torchère fermée, on entend ici une torchère configurée pour le brûlage de gaz, dans laquelle la combustion se produit intégralement à l'intérieur de la torchère, plutôt qu'à l'air libre. La torchère fermée se distingue ainsi de la torchère à flamme visible, pour laquelle la combustion se produit généralement à l'extrémité supérieure de la torchère.
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La présente invention concerne en particulier une torchère fermée dont la conception favorise une combustion complète des gaz, de manière à minimiser les rejets de composés polluants, tout en conservant une conception compacte.
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La présente invention trouvera ainsi de nombreuses applications avantageuses dans les industries pétrochimiques, chimiques, du raffinage, du gaz naturel et de l'énergie, ainsi que pour les torchères embarquées des bateaux de croisière et/ou des méthaniers.
Art antérieur
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L'industrie des torchères joue un rôle essentiel dans le traitement des gaz et des hydrocarbures, en permettant la combustion sécurisée des rejets gazeux. Elles sont utilisées pour brûler les gaz résiduels produits lors des opérations de production, de maintenance et de sécurité dans les installations industrielles. Elles permettent de prévenir les accumulations dangereuses de gaz inflammables et de minimiser les risques d'explosions et d'incendies. De plus, les torchères sont souvent utilisées comme solution de secours en cas de défaillance des équipements de traitement des gaz. Cependant, les torchères industrielles sont également une source significative d'émissions de gaz à effet de serre et de pollution atmosphérique. Ainsi, l'évolution des normes environnementales et la recherche constante d'efficacité énergétique ont nécessité le développement de nouvelles torchères plus performantes.
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D'un point de vue technique, les modèles actuels de torchères présentent un encombrement élevé, ce qui peut poser des contraintes en termes d'installation et d'intégration sur des sites industriels ou embarqués comme sur les méthaniers. De plus, les torchères sont principalement réalisées sur-mesure. La conception personnalisée des torchères représente donc un défi technique et un coût économique. Il est donc essentiel de trouver des solutions qui permettent de rationaliser et de simplifier le processus de conception et de fabrication des torchères, afin de réduire les coûts tout en maintenant un niveau élevé de qualité et de performance.
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Un autre défi technique majeur consiste à améliorer les rejets résultant de la combustion afin de se conformer aux normes des Installations Classées pour la Protection de l'Environnement (ICPE). La conception des torchères doit ainsi être optimisée de manière à accepter des débits importants tout en garantissant des performances optimales durant la combustion, de manière à respecter les normes de rejet des gaz à effet de serre, contribuant ainsi à la préservation de l'environnement.
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De tels rejets sont dépendants du bon déroulement de la combustion. En particulier, une combustion incomplète dans la torchère résulte en la formation de produits de combustion incomplets tels que du monoxyde de carbone (CO), des hydrocarbures imbrûlés ou des composés organiques volatils (COV), ce qui contribue à la pollution de l'air. Une combustion incomplète présente en général une flamme jaune, tandis qu'une combustion complète présente une flamme bleue.
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Les réactions de combustion sont généralement incomplètes. Une solution connue consiste à apporter un excès de comburant à haute température, notamment un grand excès d'oxygène, ce qui permet la réduction des émissions de produits de combustion incomplets, mais favorise l'apparition d'oxydes d'azote (NOx). L'obtention d'une combustion complète et la minimisation des composés polluants est donc complexe.
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Pour améliorer la combustion, il est notamment connu de mettre en œuvre, dans la torchère, une arrivée de gaz en étoile ou de forme torique, qui répartit la diffusion du gaz pour permettre un meilleur mélange entre le gaz et l'air. De telles formes sont cependant complexes et difficiles à réaliser. En outre, ces formes ne sont pas adaptées à des débits de gaz élevés. Notamment, en ce qui concerne les arrivées de gaz de forme torique, l'augmentation du débit nécessiterait soit l'ajout de tores supplémentaires, soit l'agrandissement de leur diamètre, c'est-à-dire un encombrement supplémentaire.
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Le document
CA3065353 décrit ainsi une torchère équipée d'un brûleur en croix, composé d'une pluralité de tubes s'étendant autour d'une section centrale, les tubes étant munis d'orifices selon leur extrémité aval selon le sens de circulation du gaz, c'est-à-dire en portion supérieure. Le gaz est ainsi injecté en différents endroits dans le flux d'air plutôt que selon un point unique. Le mélange entre le gaz et l'air reste cependant limité et, comme énoncé ci-avant, difficilement adaptable à des débits de gaz élevés.
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D'autres solutions visent également à faciliter le mélange entre le gaz et l'air. Le document
US20060166152 divulgue ainsi une torchère dont la chambre de combustion est munie d'un brûleur, d'un pilote en aval du brûleur créant une flamme, et d'un diaphragme en amont du brûleur, lequel redirige l'air en direction de la flamme. Cette solution n'impacte ainsi que l'air, en tentant de maximiser l'air acheminé directement vers le brûleur et le pilote, ce qui limite la quantité de gaz pouvant être acheminée et ne génère des turbulences que pour l'air, sans impacter le gaz combustible.
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Le document
WO2006010693 divulgue une torchère dans laquelle l'air et le gaz sont acheminés vers un ventilateur, lequel décharge un mélange entre l'air et le gaz. Un Venturi est mis en œuvre en aval du ventilateur, lequel crée un flux laminaire sans mouvement turbulent. L'homogénéité du mélange effectué par le ventilateur n'est en outre pas garantie.
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D'autres solutions mettent en œuvre une intégration de la torchère dans un système de captage et utilisation du gaz de torchage, aussi appelé CUTG, dans lequel le gaz en sortie de torchère est acheminé vers des moteurs ou des turbines pour produire de l'électricité, ou utilisé comme combustible dans des processus industriels. Une telle mise en place est fortement dépendante des secteurs industriels et de la présence ou non d'une infrastructure adaptée.
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Le Demandeur soumet par conséquent qu'il n'existe à ce jour aucune solution alternative satisfaisante de torchère permettant une combustion complète de gaz, tout en conservant une conception simple et adaptable à une large gamme de débits.
Résumé de l'invention
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La présente invention vise à améliorer la situation actuelle décrite ci-dessus.
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La présente invention vise plus particulièrement à remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant une torchère dont la structure interne est adaptée pour favoriser la combustion, en minimisant les contraintes sur l'arrivée de gaz.
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A cet effet, l'objet de la présente invention concerne dans un premier aspect une torchère fermée pour la combustion de gaz combustible, la torchère comprenant :
- un fût muni d'une première entrée amont en comburant et d'une sortie aval de fumées ;
- une chambre de combustion disposée à l'intérieur du fût en aval de la première entrée, la chambre de combustion s'étendant selon une portion d'une longueur du fût et délimitant une colonne entre le fût et la chambre de combustion, la chambre de combustion étant ouverte en amont et en aval et munie d'une deuxième entrée amont en gaz combustible ;
- une première alimentation en comburant associée à la première entrée ;
- au moins une deuxième alimentation en gaz combustible associée à la deuxième entrée ;
- au moins une source d'allumage disposée dans la chambre de combustion en aval de la deuxième entrée ; et
- un premier ensemble de diffuseurs disposé dans la chambre de combustion, en amont de la source d'allumage et configuré pour créer des turbulences entre le gaz combustible et le comburant avant leur combustion.
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Comme énoncé ci-avant, la torchère selon la présente invention correspond à une torchère fermée. La torchère est ainsi configurée de sorte que la combustion s'effectue intégralement à l'intérieur du fût, de préférence à l'intérieur de la chambre de combustion. On comprend également que les ouvertures amont et aval de la chambre de combustion permettent une circulation de fluide entre le fût et la chambre de combustion. Le fût définit notamment la forme et la structure externe de la torchère.
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On prévoit par exemple un fût d'environ 6m de haut, lequel reçoit principalement les autres composants selon sa portion inférieure, jusqu'à 2m de haut, pour en faciliter l'accès. La chambre de combustion fait par exemple 1m de haut et est disposée à 1m de hauteur dans le fût. En particulier, la torchère s'étend principalement de manière verticale, le fût et la chambre de combustion s'étendant ainsi en hauteur.
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En outre, les notions d'amont et d'aval seront comprises vis-à-vis du sens de circulation des gaz et fumées dans la torchère. Le comburant entre ainsi dans la torchère par la première entrée, via la première alimentation, et le gaz combustible entre dans la torchère par la deuxième entrée, via la deuxième alimentation. Le comburant et le gaz combustible circulent dans la torchère en direction de la sortie aval. Le comburant entre partiellement dans la chambre de combustion et se mélange avec le gaz combustible. Notamment, les ouvertures amont et aval de la chambre de combustion correspondent de préférence à ses extrémités longitudinales. Les gaz mélangés entrent en combustion au niveau de la source d'allumage, formant des fumées chaudes. La source d'allumage étant disposée dans la chambre de combustion, la combustion se produit ainsi principalement, de préférence intégralement, dans la chambre de combustion.
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Une portion du comburant circule également, de l'amont vers l'aval, dans la colonne, autour de la chambre de combustion. Cette portion correspond ainsi à du comburant froid, non impliqué dans la réaction de combustion. En sortie de la chambre de combustion, le comburant froid et les fumées chaudes se mélangent, formant des fumées froides, c'est-à-dire des fumées de température inférieure aux fumées chaudes. Les fumées froides continuent la circulation, jusqu'à la sortie aval de la torchère.
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La sortie aval est avantageusement disposée au sommet de la torchère, de sorte que la circulation des gaz corresponde à une circulation du bas vers le haut de la torchère, correspondant naturellement à la circulation des gaz chauds.
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Le comburant correspond par exemple à de l'air, l'entrée amont correspondant par exemple à une simple ouverture de la torchère vis-à-vis de l'air extérieur. Le gaz combustible peut correspondre à des COV, du méthane, et plus généralement à tout gaz polluant dont les composés peuvent au moins partiellement être transformés en d'autres composés, de préférence moins toxiques ou polluants, par la combustion. Les produits de réaction générés pendant la combustion dépendent naturellement du comburant et combustible employés, mais correspondent principalement à du dioxyde de carbone et de l'eau.
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L'alimentation en gaz, en amont de la torchère, comprend par exemple un ensemble de dispositifs de sécurité et/ou de mesure pour garantir que le gaz combustible soit approvisionné de manière contrôlée. On prévoit par exemple un premier manomètre pour mesurer la pression de gaz en entrée, un débitmètre pour mesurer ou lire le débit de gaz, une vanne de laminage et un deuxième manomètre pour régler la pression de combustible alimentée dans la torchère, ainsi qu'un arrête-flamme pour empêcher toute propagation de flamme dans le réseau de gaz, en amont de la torchère. Ces instruments de mesure permettent d'ajuster la quantité de comburant en parallèle de l'approvisionnement en gaz combustible, ou d'autres variables telles que la température de flamme.
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La source d'allumage correspond par exemple à une bougie d'allumage, un pilote créant une flamme ou des électrodes générant un arc électrique. Dans le domaine des torchères embarquées sur des navires, la source d'allumage correspond en général à des électrodes.
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L'homme du métier comprend ici qu'une même chambre de combustion peut recevoir une pluralité d'alimentations en gaz et une pluralité de sources d'allumage. Chaque alimentation en gaz est par exemple associée à une source d'allumage pour former un brûleur, la chambre de combustion recevant une pluralité de brûleurs, par exemple disposés de manière adjacente les uns aux autres. Les diffuseurs peuvent être associés à la chambre de combustion et agir sur la pluralité de brûleurs, ou encore être associés spécifiquement à chaque brûleur, c'est-à-dire à chaque alimentation en gaz. On comprend également que la mise en œuvre d'une pluralité de brûleurs permet d'appliquer une même structure de brûleur à une pluralité de dimensionnements de la torchère, sans changer le dimensionnement du brûleur lui-même.
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La torchère est par exemple associée à une armoire de commande permettant le pilotage de la torchère, c'est-à-dire un contrôle des alimentations (en débit et/ou en pression) et de la source d'allumage. Selon la conception, on peut concevoir une armoire de commande configurée pour un pilotage manuel, ou encore un automate programmable configuré pour un pilotage automatisé de la torchère.
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Par diffuseur au sens de la présente invention, on entend ici et dans toute la description qui suit une pièce venant interférer avec la circulation de fluide dans la torchère, notamment de comburant, de gaz combustible ou de fumées. L'homme du métier comprend qu'un diffuseur, dans le domaine de la thermodynamique, est un dispositif qui contrôle l'écoulement des fluides en réduisant leur vitesse et en augmentant leur pression statique. Le diffuseur permet également de répartir les fluides, c'est-à-dire de créer des turbulences à l'intérieur d'un espace, par exemple dans la chambre de combustion. Les diffuseurs correspondent par exemple à des plaques de tôle ou des ailettes venant s'opposer au moins partiellement à la circulation de fluide de manière à en altérer la circulation.
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On comprend ici que le premier ensemble de diffuseurs permet de favoriser le mélange entre le comburant et le gaz combustible, en générant des turbulences dans la circulation amont-aval. De telles turbulences correspondent ainsi à un déplacement du comburant et/ou du gaz combustible distinct de la circulation naturelle amont-aval. Les diffuseurs sont ainsi disposés dans la chambre de combustion, où le mélange est mis en œuvre, en amont de la source d'allumage. Le premier ensemble de diffuseurs peut notamment être disposé au moins partiellement en amont de la deuxième entrée, de manière à diriger le comburant de sorte à favoriser le mélange avec le gaz combustible. Le premier ensemble de diffuseurs peut également être disposé au moins partiellement en aval de la deuxième entrée, de manière à rediriger le comburant et le gaz combustible pour la formation de turbulences.
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Le Demandeur soumet que les turbulences générées par les diffuseurs permettent ainsi d'obtenir un mélange entre le comburant et le gaz combustible, lequel favorise une combustion complète. En effet, étant donné que la combustion correspond à une réaction entre le comburant et le gaz combustible, un bon mélange entre les composés assure que les réactifs soient suffisamment approvisionnés pour entretenir la réaction, et consommer tout le gaz combustible. Comme énoncé ci-avant, une combustion incomplète peut résulter en la formation de produits de combustion incomplets contribuant à la pollution de l'air.
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Ici, les turbulences générées par les diffuseurs résultent en une combustion turbulente, dans laquelle le gaz combustible et le comburant sont mélangés de manière intensive. La combustion est ainsi plus efficace et la torchère présente une meilleure utilisation du combustible. En outre, les diffuseurs étant disposés en amont de la source d'allumage, le mélange est déjà au moins partiellement réalisé avant la combustion, de sorte qu'elle débute dans des conditions optimales.
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Grâce à la présente invention, il est donc possible d'obtenir une combustion stable, uniforme avec moins d'émissions polluantes, c'est-à-dire de gaz à effet de serre, de particules fines et d'oxydes d'azote. Une combustion plus complète permet également de réduire la taille de la flamme dans la chambre de combustion. La torchère selon la présente invention permet ainsi une combustion efficace et accepte une grande variété de débits de gaz, sans contrainte importante sur l'alimentation en gaz. En outre, le refroidissement des fumées grâce à la propagation d'air frais le long de la paroi interne du fût permet également de disposer d'une paroi de fût plus froide permettant l'utilisation de matière telle que l'acier inoxydable commun (par exemple 304 ou 316), beaucoup plus léger que les briques et les nappes de fibre réfractaire utilisées traditionnellement, moins toxique, plus facile d'entretien et facilement démontable.
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Dans un mode de réalisation avantageux de la présente invention, le premier ensemble de diffuseurs est configuré pour créer des mouvements contraires de fluide vers une portion centrale de la chambre et vers une portion périphérique de la chambre.
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L'homme du métier comprend ici que les mouvements contraires créent un haut cisaillement dans les fluides, lequel favorise le mélange. On prévoit par exemple que le comburant soit redirigé de la périphérie vers l'intérieur de la chambre de combustion, et que le gaz combustible soit redirigé de l'intérieur vers la périphérie de la chambre de combustion. Par conséquent, le comburant et le gaz combustible entrent en « collision », générant le cisaillement et le mélange. Cette conception garantit ainsi que les turbulences résultent en un mélange des fluides et une combustion optimisée. Notamment, la création de mouvements contraires est bien plus efficace qu'un entraînement en rotation des gaz à l'intérieur de la chambre de combustion, lequel résulterait en un faible cisaillement et mélange des fluides.
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Dans un mode de réalisation additionnel, le premier ensemble de diffuseurs comprend des premiers diffuseurs disposés selon une portion périphérique de la chambre et orientés de manière oblique vers une portion centrale de la chambre.
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On comprend ici que les premiers diffuseurs sont configurés pour rediriger le fluide de la portion périphérique vers la portion centrale de la chambre de combustion. Les premiers diffuseurs sont par exemple disposés de manière à rediriger le comburant, après la séparation du comburant entre la chambre de combustion et la colonne. La portion du comburant entrant dans la chambre de combustion est alors perturbée par les premiers diffuseurs et redirigée en portion centrale, vers le gaz combustible.
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En outre, les premiers diffuseurs permettent d'augmenter la vélocité du comburant en réduisant localement la section de la chambre de combustion.
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Les premiers diffuseurs sont par exemple assemblés avec la paroi de la chambre de combustion. On comprend également que l'orientation oblique des premiers diffuseurs correspond à une réduction progressive de la section de la chambre de combustion, dans le sens amont-aval. En d'autres termes, les premiers diffuseurs sont fixés d'une part sur la paroi de la chambre de combustion, et s'étendent d'autre part vers l'aval et vers l'intérieur de la chambre de combustion.
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Dans un mode de réalisation pouvant être combiné avec le précédent, le premier ensemble de diffuseurs comprend des deuxièmes diffuseurs, disposés selon une portion centrale de la chambre et orientés de manière oblique vers une portion périphérique de la chambre.
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En d'autres termes, les deuxièmes diffuseurs s'étendent conjointement, depuis une section centrale, vers l'aval et vers la périphérie de la chambre de combustion. Le fluide entrant en contact avec les deuxièmes diffuseurs se sépare ainsi vers les parois de la chambre de combustion.
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La combinaison entre les premiers diffuseurs et les deuxièmes diffuseurs permet ainsi de créer un premier mouvement de fluide, de la périphérie vers l'intérieur de la chambre de combustion, et un deuxième mouvement de fluide, de l'intérieur vers la périphérie de la chambre de combustion. Les deux mouvements contraires résultent ainsi en des turbulences et un cisaillement important, garantissant le mélange des fluides avant et durant la combustion.
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De préférence, les premiers diffuseurs sont disposés en amont des deuxièmes diffuseurs.
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Cette conception est particulièrement avantageuse lorsque les premiers diffuseurs sont configurés pour rediriger le comburant vers l'intérieur de la chambre de combustion, et les deuxièmes diffuseurs sont configurés pour rediriger le gaz combustible vers la périphérie de la chambre de combustion. Les premiers diffuseurs peuvent être disposés en amont, en aval ou sensiblement à même hauteur que la deuxième alimentation, sans entrer en conflit. Notamment, des premiers diffuseurs disposés sensiblement à même hauteur que la deuxième alimentation, les deuxièmes diffuseurs étant disposés en aval de la deuxième alimentation, permettent de rediriger le comburant vers le gaz combustible alors que celui-ci entre en collision avec les deuxièmes diffuseurs, afin de maximiser les turbulences.
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On comprend ici que l'homme du métier peut ajuster la disposition respective des diffuseurs afin de maximiser les turbulences et le mélange des fluides. Le Demandeur soumet cependant que la disposition de premiers diffuseurs légèrement en amont des deuxièmes diffuseurs apporte un meilleur mélange et une meilleure combustion.
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Dans encore un mode de réalisation, la deuxième alimentation est disposée selon la portion centrale, en amont des deuxièmes diffuseurs.
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On comprend ici que la disposition centrale de la deuxième alimentation permet de favoriser l'interaction du gaz combustible avec les deuxièmes diffuseurs, de manière à garantir que le gaz combustible soit entraîné dans un mouvement turbulent.
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De préférence, la deuxième alimentation est disposée au voisinage des deuxièmes diffuseurs, de sorte que le gaz entre directement en contact avec et soit redirigé par les deuxièmes diffuseurs.
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Ainsi, le gaz combustible est amené en portion centrale par la deuxième alimentation et redirigé vers la portion périphérique, à l'inverse du comburant se scindant entre la chambre de combustion et la colonne et étant redirigé vers la portion centrale. Le mélange entre le gaz combustible et le comburant est ainsi facilité sans requérir de conception complexe de l'alimentation en gaz combustible.
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Par combinaison des moyens précédents, on obtient ainsi une conception dans laquelle le comburant est redirigé de la portion périphérique vers la portion centrale, et le gaz combustible est redirigé de la portion centrale vers la portion périphérique, créant une zone de mélange et des turbulences entre les deux fluides.
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Dans un mode de réalisation spécifique, les deuxièmes diffuseurs présentent une forme de V.
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De préférence, la forme de V est orientée de manière à diriger le fluide vers la portion périphérique. En d'autres termes, les deuxièmes diffuseurs s'étendent conjointement vers l'aval et vers la périphérie de la chambre de combustion, et la forme de V s'élargit progressivement vers l'aval. Le fluide entrant en contact avec les deuxièmes diffuseurs se sépare ainsi vers deux parois opposées de la chambre de combustion.
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On comprend ici que la forme de V permet de créer le mouvement de fluide vers les parois de la chambre de combustion, tout en conservant une conception simple. On prévoit par exemple une chambre de combustion de section carrée, les premiers diffuseurs étant disposés selon deux parois opposées de la chambre de combustion et les deuxièmes diffuseurs étant orientés vers ces mêmes parois, correspondant à une conception très simple de réalisation de l'invention. Dans une autre conception, les deuxièmes diffuseurs présentent une forme conique, la forme de V correspondant à une section transversale des deuxièmes diffuseurs. La chambre de combustion présente par exemple avantageusement une section circulaire, les premiers diffuseurs étant disposés selon le pourtour interne de la chambre de combustion.
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De préférence, les deuxièmes diffuseurs sont orientés de sorte que la forme de V présente un angle compris entre 90° et 130°.
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De préférence, la forme de V présente un angle compris entre 100° et 120°.
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De préférence, la forme de V présente un angle d'environ 110°.
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On comprend ici que la forme de V est constituée de deux branches, s'étendant de part et d'autre en direction des parois de la chambre de combustion, l'angle de la forme de V correspondant à l'angle entre les branches.
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On comprend également que l'angle entre les branches correspond à l'orientation des deuxièmes diffuseurs, et donc à l'impact des deuxièmes diffuseurs sur le mouvement des fluides, en particulier sur le mouvement du gaz combustible. L'angle impacte donc plus ou moins les turbulences et la combustion. Le Demandeur soumet ici qu'un angle de 110° présente les meilleurs résultats, et minimise la taille de la flamme dans la chambre de combustion par rapport aux autres angles, signe d'une combustion plus complète.
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Dans un mode de réalisation, les deuxièmes diffuseurs présentent une pluralité d'encoches ménagées le long de leurs extrémités.
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En d'autres termes, les deuxièmes diffuseurs sont munis d'une pluralité d'orifices, en particulier d'orifices débouchant selon trois faces des deuxièmes diffuseurs. On prévoit par exemple une pluralité d'orifices réguliers ménagés de sorte que les deuxièmes diffuseurs présentent une forme de « peigne ».
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Le Demandeur soumet que la provision d'une pluralité d'encoches le long des deuxièmes diffuseurs crée des flux alternatifs favorisant la formation de turbulences et le mélange entre les fluides, facilitant d'autant plus une combustion complète et réduisant la hauteur de la flamme.
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Optionnellement, on prévoit également que les premiers diffuseurs présentent des orifices, par exemple des encoches à l'instar des deuxièmes diffuseurs ou des orifices selon d'autres formes.
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Dans un autre mode de réalisation, le premier ensemble de diffuseurs comprend des troisièmes diffuseurs disposés selon une portion centrale de la chambre et orientés transversalement au sens amont-aval de circulation dans la chambre.
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Les troisièmes diffuseurs sont par exemple orientés de manière sensiblement perpendiculaire au sens amont-aval. En d'autres termes, dans une torchère s'étendant de manière principalement verticale, les troisièmes diffuseurs sont disposés de manière sensiblement horizontale.
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De préférence, les troisièmes diffuseurs définissent un espace intermédiaire entre eux, à-travers lequel les fluides peuvent circuler. On prévoit avantageusement des troisièmes diffuseurs correspondant à deux éléments plans, par exemple deux tôles planes, séparés l'un de l'autre par une rainure centrale. Dans une conception circulaire, il est également possible de mettre en œuvre un élément plan muni d'un orifice central formant l'espace intermédiaire.
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Les troisièmes diffuseurs se distinguent en particulier d'un tamis ou d'une autre structure perforée telle qu'il est décrit ci-après, en ce que le fluide ne peut pas circuler à-travers les troisièmes diffuseurs et doit les contourner.
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L'homme du métier comprend que les troisièmes diffuseurs créent une « zone morte » en aval dans laquelle le comburant et le gaz combustible viennent se mélanger. Le mélange des fluides dans la zone morte correspond en outre à des mouvements contraires vers la portion centrale et la portion périphérique de la chambre. Les fluides peuvent en effet passer en aval des troisièmes diffuseurs via la portion périphérique, autour des troisièmes diffuseurs, avant de se diriger vers la zone morte, c'est-à-dire vers la portion centrale, ou passer en aval via la portion centrale, dans l'espace intermédiaire entre les troisièmes diffuseurs, avant de se diriger vers la zone morte, c'est-à-dire vers la portion périphérique.
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Le Demandeur soumet en outre que l'emploi de troisièmes diffuseurs permet de générer autant de turbulences qu'une combinaison des premiers diffuseurs et des deuxièmes diffuseurs. Il est donc possible de mettre une œuvre une conception simple comprenant uniquement les troisièmes diffuseurs, sans premiers diffuseurs ni deuxièmes diffuseurs, requérant moins de matière. Notamment, leur position centrale permet de les fixer facilement sur la deuxième alimentation, sans requérir de fixation sur les parois de la chambre de combustion à l'instar des premiers diffuseurs. Des troisièmes diffuseurs fixés sur la deuxième alimentation sont plus simples à retirer, avec la deuxième alimentation, pour les opérations de maintenance, au contraire de premiers diffuseurs fixés sur la chambre de combustion.
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Par comparaison aux deuxièmes diffuseurs, les troisièmes diffuseurs peuvent également être disposés de manière similaire tout en étant soumis à des températures moins intenses. En effet, la forme oblique des deuxièmes diffuseurs résulte en des températures plus importantes au niveau de leurs extrémités. Les troisièmes diffuseurs sont ainsi soumis à des températures et des gradients de chaleur plus faibles, augmentant leur durabilité.
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Bien évidemment, il reste possible de concevoir une conception combinant les troisièmes diffuseurs avec les autres diffuseurs. Par exemple, il est possible de concevoir une chambre de combustion comprenant une pluralité de brûleurs, différents brûleurs étant associés à différents diffuseurs, ou encore de disposer les troisièmes diffuseurs en aval ou en amont des premiers et/ou des deuxièmes diffuseurs. Une telle combinaison n'apparaît cependant pas nécessaire pour obtenir des turbulences suffisantes en conservant une conception simple.
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De préférence, la deuxième alimentation est disposée selon la portion centrale, en amont des troisièmes diffuseurs.
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Les troisièmes diffuseurs sont par exemple, comme énoncé précédemment, fixés directement sur la deuxième alimentation, par exemple via des tôles formant entretoise. De même que précédemment, une deuxième alimentation au voisinage des troisièmes diffuseurs permet de garantir que le gaz combustible est directement entraîné dans un mouvement turbulent afin de favoriser le mélange.
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Ainsi, par combinaison des modes de réalisation précédents, la deuxième alimentation est disposée selon la portion centrale, en amont respectivement des deuxièmes diffuseurs ou des troisièmes diffuseurs.
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Dans un mode de réalisation spécifique, la première alimentation et la deuxième alimentation sont dimensionnées pour former un premier rapport de dilution massique dans le fût compris entre 90 et 130, entre le comburant et le gaz combustible.
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De préférence, le premier rapport de dilution massique est d'environ 110.
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On entend ici, par rapport de dilution massique, le rapport entre la masse de comburant sur la masse de gaz combustible. En d'autres termes, pour une dose (en masse) de gaz combustible dans le fût, on prévoit entre 90 et 130, de préférence 110, doses (en masse) de comburant.
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Le rapport de dilution massique permet de contrôler la température en sortie de fût, un rapport plus élevé correspondant à une température plus faible. Le Demandeur soumet qu'un rapport d'environ 110 permet d'obtenir une température en sortie d'environ 425°C, après le mélange des fumées froides et chaudes. On comprend que le rapport de dilution massique peut être ajusté selon la température objectif en sortie de torchère. En particulier, on vise ici à obtenir une température en sortie de fût qui soit inférieure à la température d'auto-inflammation du gaz combustible, notamment du méthane.
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On comprend en outre que le rapport de dilution massique dépend directement de l'approvisionnement en comburant et en gaz combustible dans le fût, et donc du dimensionnement respectif de la première alimentation et de la deuxième alimentation, ainsi que des pertes de charge dans le fût résultant des frottements contre les différents éléments, notamment les pertes de charge générées par les diffuseurs.
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Dans un autre mode de réalisation pouvant être combiné avec le mode de réalisation précédent, la première alimentation, la deuxième alimentation, le fût et la chambre de combustion sont dimensionnés pour former un deuxième rapport de dilution massique, dans la chambre de combustion, compris entre 30 et 50.
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De préférence, le deuxième rapport de dilution massique est d'environ 40.
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On comprend ici que le deuxième rapport de dilution massique correspond aux proportions respectives de comburant et de gaz combustible, spécifiquement dans la chambre de combustion. Le gaz combustible étant directement alimenté dans la chambre de combustion, et le comburant étant scindé entre la chambre de combustion et la colonne, le deuxième rapport dépend aussi bien des alimentations en fluides que du dimensionnement du fût et de la chambre de combustion, de manière à maîtriser la répartition du comburant dans la chambre de combustion et dans la colonne. Les diffuseurs génèrent également, selon leur forme, un effet Venturi pouvant impacter le premier et/ou le deuxième rapport de dilution massique.
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En combinaison avec le mode de réalisation précédent, on obtient un premier rapport compris entre 90 et 130 et un deuxième rapport compris entre 30 et 50, avec par exemple entre 60 et 80 doses (en masse) de comburant dans la colonne pour une dose (en masse) de gaz combustible dans la torchère, la colonne étant dépourvue de gaz combustible mais permettant le refroidissement ultérieur des fumées chaudes.
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De même que précédemment, le deuxième rapport de dilution massique permet de maîtriser la température dans la chambre de combustion. On vise ici une température de combustion comprise entre 1000°C et 1100°C, par exemple une température de combustion d'environ 1040°C. En particulier, une température insuffisamment élevée résulterait en une combustion incomplète, tandis qu'une température trop élevée présente des risques sécuritaires et des contraintes sur la torchère elle-même. En général, dans une torchère fermée, l'homme du métier vise une température de combustion d'au moins 800°C.
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On comprend en outre que les températures dans la torchère doivent être déterminées de pair avec les matériaux employés. On prévoit par exemple :
- un fût résistant à une température allant jusqu'à 800°C, par exemple en acier inoxydable 304L, le fût étant exposé aux fumées froides ;
- une chambre de combustion et une deuxième alimentation (dans la chambre de combustion) résistant à une température allant jusqu'à 1100°C, par exemple dans un matériau réfractaire tel que l'acier inoxydable 310S.
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Dans un mode de réalisation, la deuxième alimentation comprend un tube s'étendant transversalement à travers la chambre de combustion, le tube étant muni d'orifices selon sa portion aval.
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On comprend ici que le tube s'étend de manière transversale par rapport à la torchère, c'est-à-dire perpendiculairement à sa plus grande dimension. En d'autres termes, et prenant pour référence une torchère s'étendant verticalement, le tube s'étend de manière sensiblement horizontale, perpendiculairement à la hauteur de la torchère, et perpendiculairement au sens amont-aval.
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On comprend également que la portion aval du tube est déterminée par rapport au sens amont-aval de circulation dans la torchère, notamment en directement de la sortie aval. Dans une torchère s'étendant verticalement, la sortie étant disposée au sommet de la torchère, la portion aval du tube correspond à sa portion supérieure.
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Les orifices correspondent ainsi à l'entrée de gaz dans la chambre de combustion. On comprend que des orifices de faible dimension, par rapport à la taille du tube, permettent d'augmenter la vélocité du gaz combustible entrant dans la chambre de combustion et allant au contact des diffuseurs, augmentant les turbulences. Les orifices correspondent par exemple à des perçages oblongs ménagés selon la longueur du tube, dans la direction transversale. Dans un autre exemple, les orifices correspondent à une rangée d'orifices circulaires. En particulier, des orifices de faibles dimensions permettent d'expulser le gaz à la manière d'une buse, en propulsant le gaz à haute vitesse à la fois selon l'axe central des orifices mais également sur les côtés, de manière à maximiser les turbulences.
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De préférence, les orifices sont disposés en regard des diffuseurs, de sorte que le gaz combustible soit orienté en direction des diffuseurs.
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On comprend ici que cette conception permet de projeter le gaz combustible, à haute vélocité, vers les diffuseurs, par exemple les deuxièmes diffuseurs décrits ci-avant, de manière à rediriger le gaz combustible et générer les turbulences.
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Selon une variante, les orifices sont disposés à distance de l'extrémité aval, par exemple répartis en deux sections situées à angle de l'extrémité aval, de sorte que le gaz combustible soit orienté de manière oblique par rapport au sens amont-aval. Les deux sections sont par exemple disposées à environ 45° de l'extrémité aval, et à environ 90° l'une de l'autre.
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On comprend qu'un gaz combustible projeté de manière oblique dans la chambre de combustion garde une vitesse vers l'aval, tout en générant des turbulences au cours de son mouvement. Au contraire, un gaz orienté en opposition de la direction amont-aval va perdre sa vitesse au cours de son mélange pour être réorienté vers l'aval.
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Dans un mode de réalisation spécifique, la torchère comprend un tamis disposé dans la chambre de combustion en amont de la source d'allumage et en aval du premier ensemble de diffuseurs, le tamis formant un arrête flamme délimitant la chambre de combustion en une première zone de prémélange et une deuxième zone de combustion.
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On comprend ici que le tamis permet à la fois de délimiter la chambre de combustion, en empêchant un retour de flamme en amont de la deuxième zone, et de ralentir la circulation amont-aval des gaz dans la première zone. La provision d'un tamis permet donc de favoriser un prémélange du comburant et du gaz combustible avant de le traverser.
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Dans encore un mode de réalisation, la torchère comprend en outre un deuxième ensemble de diffuseurs, disposé dans le fût, en aval de la chambre de combustion, et configuré pour mélanger les fumées chaudes issues de la chambre de combustion avec le comburant froid issu de la colonne.
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On comprend ici que, à l'instar du premier ensemble de diffuseurs, le deuxième ensemble de diffuseurs vient créer des turbulences favorisant le mélange. Le Demandeur soumet en particulier qu'en l'absence du deuxième ensemble de diffuseurs, une portion de comburant froid reste en périphérie du fût, les fumées chaudes issues de la chambre de combustion n'étant que partiellement refroidies. La provision du deuxième ensemble de diffuseurs permet ainsi d'améliorer le refroidissement des fumés chaudes, de manière à obtenir des fumées froides homogènes.
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Dans un mode de réalisation, la première alimentation comprend un ventilateur ménagé en portion amont du fût, le ventilateur étant configuré pour générer un flux dans le fût.
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On prévoit par exemple un ventilateur axial, lequel peut être fixé directement dans le fût. Un ventilateur axial génère une faible pression statique, laquelle est suffisante considérant les pertes de charges dans le fût. Au niveau de la chambre de combustion, le flux dans le fût se sépare ainsi en un premier flux dans la chambre de combustion et un deuxième flux dans la colonne, lesquels se rejoignent après la chambre de combustion. On prévoit par exemple que la première alimentation, la chambre de combustion et le fût sont dimensionnés de manière à obtenir un débit de 3000m3/h pour l'intérieur de la chambre de combustion, et de 5000m3/h à l'intérieur de la colonne (soit un débit total de 8000m3/h généré par le ventilateur).
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L'apport de comburant est par exemple géré par contrôle du ventilateur. On prévoit avantageusement un thermocouple configuré pour mesurer la température de la flamme et un scanner UV configuré pour contrôler la présence de la flamme, le ventilateur étant contrôlé en fonction des informations du thermocouple.
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Le ventilateur peut également être contrôlé en fonction d'un ou plusieurs des instruments de mesure décrits ci-avant. En particulier, un contrôle du ventilateur en fonction d'une mesure de la pression du gaz combustible (via un manomètre) et/ou d'une mesure du débit en gaz combustible (via un débitmètre) permet d'obtenir une régulation plus rapide et efficace que via un thermocouple.
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Selon d'autres variantes, la torchère correspond à une torchère par tirage d'air, c'est-à-dire dans laquelle la première alimentation correspond principalement à une simple ouverture. Une torchère par tirage d'air est ainsi dépourvue de ventilateur ou exclusivement munie d'un ventilateur d'appoint, utilisé uniquement pour des raisons de sécurité, par exemple afin de diminuer la température en cas d'emballement.
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Le Demandeur soumet en outre que l'emploi d'un ventilateur permet d'assurer une vitesse dans le fût plus importante que par tirage d'air, tout en générant une pression statique, laquelle garantit la formation de turbulences dans la zone voulue.
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Ainsi, par les différentes caractéristiques techniques fonctionnelles et structurelles ci-dessus, le Demandeur propose une torchère fermée configurée pour faciliter le mélange entre comburant et combustible, favorisant une combustion complète sans contrainte envers l'alimentation en gaz combustible. La fabrication et la conception de torchères est ainsi grandement facilitée en garantissant des performances élevées pour une variété de débits, sans nécessiter de conception sur mesure pour chaque application.
Description des figures
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Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description des exemples de réalisation particuliers et non limitatifs de la présente invention ci-après, en référence aux figures 1 à 8 annexées et sur lesquelles :
- [Fig.1] La figure 1 illustre une vue en perspective d'une torchère fermée selon un exemple de réalisation de la présente invention ;
- [Fig.2] La figure 2 illustre une vue en coupe d'une torchère conforme à la figure 1 ;
- [Fig.3] La figure 3 illustre une vue détaillée d'une coupe conforme à la figure 2, selon un premier exemple de réalisation ;
- [Fig.4] La figure 4 illustre schématiquement une vue en coupe d'une chambre de combustion conforme à la figure 3 ;
- [Fig.5] La figure 5 illustre schématiquement une vue en coupe d'un autre exemple de réalisation d'une chambre de combustion conforme à la figure 3, la chambre de combustion étant munie d'un tamis ;
- [Fig.6] La figure 6 illustre schématiquement une vue détaillée d'une coupe d'une torchère conforme à la figure 1, selon un deuxième exemple de réalisation ;
- [Fig.7] La figure 7 illustre schématiquement une vue en coupe d'une chambre de combustion conforme à la figure 6 ;
- [Fig.8] La figure 8 illustre schématiquement une vue en coupe d'un autre exemple de réalisation d'une chambre de combustion conforme à la figure 6, la chambre de combustion étant munie d'un tamis.
Description détaillée
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Une torchère fermée à combustion optimisée va maintenant être décrite dans ce qui va suivre en référence conjointement aux figures 1 à 8. Des mêmes éléments sont identifiés avec des mêmes signes de référence tout au long de la description qui va suivre.
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Comme indiqué dans le préambule de la description, les torchères doivent être conçues de manière à assurer une combustion aussi complète que possible afin de minimiser leurs émissions. Les solutions actuelles pour favoriser cette combustion complète consistent à intégrer des alimentations de gaz de forme torique ou étoilée, dont la conception est complexe et le dimensionnement limité en débit.
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Un des objectifs de la présente invention est de proposer une torchère permettant une combustion plus complète des gaz, tout en conservant une conception simple adaptée à une large gamme de débits.
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Ceci est rendu possible dans l'exemple décrit ci-après.
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Comme illustré dans les figures 1 à 8, il est prévu dans l'exemple décrit ici une torchère 1 fermée configurée pour la combustion de gaz combustible. Le gaz combustible correspond par exemple à des COV, du méthane, du dioxyde de carbone, etc. ou encore à un mélange de ces gaz. La torchère 1 est par exemple spécifiquement dimensionnée pour la combustion de méthane. La torchère 1 est par exemple intégrée au sein d'un système plus large de captage et utilisation du gaz de torchage, ou correspond selon un autre exemple à une torchère embarquée d'un navire.
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La torchère 1 comprend un fût 2, lequel définit sa structure externe et est munie d'une première entrée 21 amont et d'une sortie 22 aval, de sorte que les gaz circulent de l'amont vers l'aval. De préférence, le fût 2 s'étend verticalement, la première entrée 21 étant disposée en portion inférieure et la sortie 22 en portion supérieure pour une circulation verticale des gaz, du bas vers le haut. En particulier, la première entrée 21 correspond à une entrée de comburant et est associée à une première alimentation 41 en comburant. Le comburant correspond par exemple à de l'air. Le fût 2 s'étend par exemple sur une hauteur de 6m environ, la majorité des éléments de la torchère 1 étant disposés en portion inférieure du fût 2, jusqu'à 2m de haut pour garantir un accès facile.
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Avantageusement, et comme illustré dans les figures 2 et 3, la première alimentation 41 comprend un ventilateur en portion amont du fût 2, c'est-à-dire ici en portion inférieure. Le ventilateur est configuré pour générer un flux dans le fût 2, de l'amont vers l'aval. Le ventilateur correspond avantageusement à un ventilateur axial, dont l'axe s'étend selon la hauteur du fût 2, le ventilateur générant un débit important et une faible pression le long de l'axe, pour la circulation amont-aval.
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Selon d'autres variantes, la torchère 1 correspond à une torchère par tirage d'air, c'est-à-dire que la torchère 1 est simplement ouverte en amont, son fonctionnement générant naturellement un flux de l'amont vers l'aval sans requérir de ventilateur. Pour faciliter l'entrée d'air, le fût 2 repose sur un ensemble de pieds, de manière à laisser une circulation d'air sous le fût 2, au niveau de la première entrée 21. Il serait également envisageable de concevoir un fût 2 reposant sur une embase et dont les parois latérales sont ouvertes pour l'entrée d'air, le ventilateur étant alors disposé en aval des ouvertures.
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En outre, lorsque le comburant correspond à un fluide autre que l'air extérieur, la première alimentation 41 correspond par exemple à un circuit dédié, par exemple un circuit d'approvisionnement en dioxygène.
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A l'intérieur du fût 2, et comme illustré dans les figures 2 à 8, on prévoit une chambre de combustion 3. La chambre de combustion 3 s'étend selon une portion de la longueur du fût 2, par exemple sur environ 1m de long, en aval de la première entrée 21. En outre, la chambre de combustion 3 est ouverte en amont et en aval, c'est-à-dire ici en haut et en bas, de manière à communiquer avec l'intérieur du fût 2. La chambre de combustion 3 délimite également une colonne 31 entre le fût 2 et la chambre de combustion 3, c'est-à-dire que la section transversale de la chambre de combustion 3 est inférieure à celle du fût 2, de manière à laisser un espace entre la chambre de combustion 3 et le fût 2. Ainsi, le comburant circulant dans le fût 2 se sépare entre la colonne 31 et l'intérieur de la chambre de combustion 3, et le comburant circulant dans la colonne 31 rejoint, en aval, le fluide issu de la chambre de combustion 3.
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Comme illustré dans les figures 3 et 6, la chambre de combustion 3 est avantageusement fixée à la paroi interne du fût 2 via des pattes de fixation 35, lesquelles permettent l'assemblage et le support de la chambre de combustion 3 et des composants associés. Les pattes de fixation 35 sont de préférence inclinées à un angle d'environ 45°, de manière à améliorer la stabilité de la chambre de combustion 3 et à augmenter, autant que possible, la distance de propagation thermique, par conduction dans les pattes de fixation 35, entre la chambre de combustion 3 et le fût 2. L'inclinaison des pattes de fixation 35 réduit ainsi le risque de pont thermique par rapport à une fixation plus horizontale. Cette inclinaison permet également de faciliter les opérations de montage/démontage sur la chambre de combustion, en augmentant l'espace libre autour des pièces. L'homme du métier comprend cependant qu'une telle inclinaison réduit la résistance mécanique de la fixation, et qu'augmenter l'épaisseur des pattes de fixation 35 pour compenser ce manque de résistance accroîtrait la conduction thermique. La conception des pattes de fixation 35 vise ainsi à atteindre un équilibre, et fournir une résistance mécanique suffisante pour le soutien de la chambre de combustion 3 dans toutes les conditions d'opération, en minimisant la conduction thermique.
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En accord avec les figures 1 à 8, la chambre de combustion 3 est munie d'une deuxième entrée 32 amont (figure 1), associée à une deuxième alimentation 42 en gaz combustible.
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A l'extérieur de la torchère 1, la deuxième alimentation 42 peut être munie d'un ensemble de dispositifs de sécurité et/ou de mesure, de manière à fournir un approvisionnement contrôlé en gaz combustible. On prévoit ici un premier manomètre 43 pour mesurer la pression de gaz en entrée, un débitmètre 44 pour mesurer le débit de gaz, une vanne de laminage 45 pour régler la pression de combustible et un deuxième manomètre 46 pour vérifier la pression en sortie de la vanne de laminage 45, ainsi qu'un arrête-flamme 47 pour empêcher toute propagation de flamme dans le réseau de gaz. Il est également possible de prévoir une variante dans laquelle la première alimentation 41 est conçue de manière similaire, de manière à fournir un approvisionnement contrôlé et sécurisé en comburant.
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A l'intérieur de la torchère 1, la deuxième alimentation 42 comprend avantageusement un tube s'étendant transversalement à travers la chambre de combustion 3, c'est-à-dire ici de manière sensiblement horizontale. Le tube est muni d'une pluralité d'orifices 49 selon sa portion aval, c'est-à-dire ici en portion supérieure. Comme illustré dans la figure 3, les orifices 49 correspondent ici à des perçages oblongs, selon la longueur du tube. Dans la figure 6, les orifices 49 correspondent à des trous circulaires disposés le long du tube. Le gaz combustible est ainsi amené dans l'intérieur de la chambre de combustion 3 et projeté à haute vitesse via les orifices 49. En particulier, la dimension réduite des orifices 49 par rapport à la section du tube permet d'augmenter la vitesse du gaz combustible, augmentant les turbulences tel qu'il est décrit ci-après. Le gaz combustible est en outre éjecté à la manière d'une buse, dans une pluralité de directions en sortie des orifices 49.
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La chambre de combustion 3 est ainsi alimentée à la fois en comburant et en gaz combustible. On prévoit alors, en aval de la deuxième entrée 32, une source d'allumage 5 configurée pour démarrer la combustion entre le comburant et le gaz combustible. La source d'allumage 5 correspond par exemple à une bougie d'allumage, à un pilote créant une flamme, à des électrodes générant un arc électrique, ou à tout autre moyen connu de l'homme du métier pour démarrer la réaction entre le comburant et le gaz combustible. Comme illustré dans les figures 2, 3 et 6, la source d'allumage 5 s'étend de l'intérieur de la chambre de combustion 3 vers l'extérieur de la torchère 1, notamment afin de permettre son contrôle. On prévoit par exemple une armoire de commande 48 configurée pour le contrôle de la première alimentation 41, c'est-à-dire la vitesse de rotation du ventilateur, et/ou le contrôle de la deuxième alimentation 42, par exemple l'actionnement de la vanne de laminage 45, et/ou le contrôle de la source d'allumage 5, par exemple la génération d'une étincelle, d'une flamme, d'un arc électrique, etc. Dans une autre variante, la torchère 1 est connectée à un automate configuré pour un pilotage automatisé des éléments ci-avant.
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Ainsi, par l'action de la source d'allumage 5, une combustion se déclenche dans la chambre de combustion 3, faisant réagir le comburant et le gaz combustible et générant des fumées chaudes. Ces fumées chaudes continuent la circulation amont-aval des fluides et se mélangent avec le comburant issue de la colonne 31 pour former des fumées froides, lesquelles quittent la torchère 1 par la sortie 22, ici au sommet de la torchère 1. Dans une variante avantageuse, on prévoit des moyens pour favoriser le mélange entre les fumées chaudes et les fumées froides, de manière à obtenir un ensemble homogène de fumées froides, par exemple un deuxième ensemble de diffuseurs disposé dans le fût 2, en particulier fixé aux parois du fût 2 et s'étendant de manière oblique, de manière à rediriger le comburant froid vers les fumées chaudes et forcer un mélange.
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Notamment, le rapport entre comburant et gaz combustible peut être contrôlé pour réguler la température des fumées froides en sortie de fût 2, c'est-à-dire la température moyenne, correspondant à la température de fumées froides parfaitement mélangées. Ce rapport découle directement du dimensionnement de la première alimentation 41 et de la deuxième alimentation 42, soit le débit respectif des alimentations 41, 42, ainsi que des pertes de charge générées par la circulation dans le fût 2, en particulier en raison des diffuseurs 6 décrits ci-après. On prévoit avantageusement un premier rapport de dilution massique compris entre 90 et 130, correspondant au poids de comburant issu de la première alimentation 41 par rapport au poids de gaz combustible issu de la deuxième alimentation 42. Tout particulièrement, on préfère un premier rapport d'environ 110, permettant d'obtenir une température en sortie d'environ 425°C lorsque le gaz combustible correspond à du méthane, soit une température inférieure à la température d'auto-inflammation du méthane. Cette conception permet d'assurer que les rejets ne s'enflamment pas, même en cas de présence résiduelle de gaz combustible.
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De manière plus générale, on peut prévoit que le premier rapport de dilution massique est déterminé de sorte que la température à la sortie 22 soit inférieure à la température d'auto-inflammation du gaz combustible.
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De même, le rapport entre comburant et gaz combustible à l'intérieur de la chambre de combustion 3 peut être contrôlé pour réguler la température des fumées chaudes, et plus généralement la température à l'intérieur de la chambre de combustion 3. Ce rapport découle à la fois du dimensionnement de la première alimentation 41 et de la deuxième alimentation 42 comme ci-avant, ainsi que du dimensionnement du fût 2 et de la chambre de combustion 3, lesquels déterminent la répartition du comburant entre la colonne 31 et la chambre de combustion 3. On prévoit ainsi avantageusement un deuxième rapport de dilution massique, dans la chambre de combustion 3, compris entre 30 et 50. Tout particulièrement, on préfère un deuxième rapport de dilution massique d'environ 40, permettant d'obtenir une température dans la chambre de combustion 3 comprise entre 1000°C et 1100 °C.
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Plus généralement, le deuxième rapport de dilution massique est déterminé de sorte que la température dans la chambre de combustion 3 permette une combustion efficace et sécurisée. Notamment, la température dans la chambre de combustion 3 doit être inférieure à une température maximale associée aux matériaux employés dans la chambre de combustion 3. On prévoit par exemple un fût 2 en acier inoxydable 304L, lequel résiste à une température allant jusqu'à 800°C, et une chambre de combustion 3 ainsi qu'une deuxième alimentation 42 en acier inoxydable 310S, lequel est un matériau réfractaire résistant jusqu'à 1100°C.
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En particulier, la combinaison du premier rapport de dilution massique et du deuxième rapport de dilution massique permet d'arriver à une répartition du comburant de 30% à 40% dans la chambre de combustion 3 pour 60% à 70% dans la colonne 31.
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Dans l'exemple de la figure 3, on prévoit en outre des hublots 8 permettant de visualiser l'intérieur du fût 2 et de la chambre de combustion 3, en particulier pour vérifier que la combustion s'effectue de manière souhaitée. Bien évidemment, de tels hublots 8 ne sont pas essentiels au fonctionnement de la torchère 1 en elle-même. La visualisation de l'intérieur de la chambre de combustion 3 permet par exemple de différencier une flamme de diffusion avec une flamme de prémélange, et donc de déterminer si le comburant et le gaz combustible sont mélangés dans les bonnes concentrations.
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En accord avec le concept de l'invention, et pour assurer que la combustion s'effectue de manière optimale, la torchère 1 est munie d'un premier ensemble de diffuseurs 6 (figures 3 à 8) en amont de la source d'allumage 5. Le premier ensemble de diffuseurs 6 s'oppose à la circulation amont-aval du comburant et du gaz combustible de manière à créer des turbulences entre les deux gaz, avant leur combustion.
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Dans l'exemple des figures 3 à 5, le premier ensemble de diffuseurs 6 comprend ainsi des premiers diffuseurs 61, disposés selon une portion périphérique de la chambre de combustion 3, et orientés de manière oblique vers une portion centrale de la chambre de combustion 3. Ici, les premiers diffuseurs 61 sont ainsi fixés sur une paroi interne de la chambre de combustion 3 et s'étendent vers le centre de la chambre de combustion 3. Tout fluide circulant dans la chambre de combustion 3, en particulier le comburant issu du fût 2, est alors redirigé de la périphérie vers le centre de la chambre de combustion 3. La vélocité du fluide est en parallèle augmentée, les premiers diffuseurs 61 réduisant localement la section de la chambre de combustion 3.
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Conjointement, le premier ensemble de diffuseurs 6 comprend également des deuxièmes diffuseurs 62 disposés selon la portion centrale et orientés de manière oblique vers la portion périphérique. Les deuxièmes diffuseurs 62 forment donc un miroir des premiers diffuseurs 61, et redirigent les fluides du centre vers la périphérie de la chambre de combustion 3. En particulier, les deuxièmes diffuseurs 62 peuvent être disposés de manière à rediriger le gaz de combustion, issu de la deuxième alimentation 42, vers la périphérie de la chambre de combustion 3. Les deuxièmes diffuseurs 62 présentent avantageusement une forme en V, c'est-à-dire une forme s'élargissant progressivement vers l'aval de part et d'autre du centre de la chambre de combustion 3. La forme en V présente par exemple un angle α compris entre 90° et 130°, entre 100° et 120°, et tout préférentiellement d'environ 110° de manière à optimiser le mouvement du centre vers la périphérie de la chambre de combustion 3.
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Le premier ensemble de diffuseurs 6 est ainsi configuré pour créer des mouvements contraires de fluide, d'une part vers une portion centrale de la chambre de combustion 3, d'autre part vers une portion périphérique de la chambre de combustion 3. Tout particulièrement, les premiers diffuseurs 61 sont orientés vers la portion centrale de la chambre de combustion 3 qui reçoit les deuxièmes diffuseurs 62, et les deuxièmes diffuseurs 62 sont orientés vers les parois périphériques de la chambre de combustion 3 qui reçoivent les premiers diffuseurs 61. Les mouvements contraires de fluide créent ainsi un fort cisaillement entre les différents courants, lequel favorise le mélange du comburant et du gaz combustible.
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Dans un autre exemple illustré par les figures 6 à 8, le premier ensemble de diffuseurs 6 comprend des troisièmes diffuseurs 65 disposés selon la portion centrale et orientés transversalement par rapport au sens amont-aval. En d'autres termes, les troisièmes diffuseurs 65 s'étendent de manière sensiblement horizontale entre la portion centrale et la portion périphérique. Les troisièmes diffuseurs 65 présentent avantageusement la forme de deux tôles planes séparées d'un espace intermédiaire, permettant la circulation de fluide entre les deux tôles. Dans l'exemple décrit ici, on prévoit des tôles d'une longueur comprise entre 600mm et 1000mm et d'une largeur de 50mm, séparées entre elles d'un espace de 25mm. La longueur des tôles peut être ajustée en fonction de la puissance de la torchère 1. Comme illustré dans la figure 7, les troisièmes diffuseurs 65 sont ainsi contournés par les fluides selon la portion centrale et la portion périphérique, et créent une zone morte en aval, laquelle « aspire » les fluides, de la portion centrale vers la portion périphérique et vice-versa. Ce comportement génère alors des turbulences importantes.
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Ainsi, le premier ensemble de diffuseurs 6 permet d'obtenir un mélange du comburant et du gaz combustible, notamment avant l'ignition par la source d'allumage 5. Le mélange favorise ainsi une combustion complète du gaz combustible, en garantissant un apport suffisant de comburant en tout point de la chambre de combustion 3, dans laquelle la combustion s'effectue. Une combustion plus complète permet ainsi de diminuer la quantité résiduelle de gaz combustible dans les fumées en sortie 22 de la torchère 1, ainsi que de minimiser la présence de produits de combustion incomplets, par exemple de monoxyde de carbone, de COV, d'oxydes d'azote, de particules fines, etc.
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Bien évidemment, la conception de la torchère 1 peut encore être optimisée pour favoriser les turbulences et assurer une combustion complète. Dans l'exemple des figures 3 à 5, on prévoit ainsi que les premiers diffuseurs 61 sont disposés en amont des deuxièmes diffuseurs 62. En outre, les premiers diffuseurs 61 sont disposés sensiblement à hauteur de la deuxième alimentation 42, et les deuxièmes diffuseurs 62 légèrement en aval de la deuxième alimentation 42, laquelle est placée en portion centrale de la chambre de combustion 3. La disposition en amont des premiers diffuseurs 61 permet de favoriser la redirection du comburant vers le centre de la chambre de combustion 3, et la disposition des deuxièmes diffuseurs 62 en aval de la deuxième alimentation 42 permet de favoriser la redirection du gaz combustible vers la périphérie de la chambre de combustion 3. Dans l'exemple des figures 6 à 8, la deuxième alimentation 42 est également placée en portion centrale de la chambre de combustion 42, les troisièmes diffuseurs 65 étant placés légèrement en aval de la deuxième alimentation 42, sensiblement à la même position que les deuxièmes diffuseurs 62 des figures 3 à 5.
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Dans l'exemple des figures 3 et 4, les orifices 49 sont disposés directement en regard des diffuseurs 6, en particulier en regard des deuxièmes diffuseurs 62. Les orifices 49 sont ici disposés selon l'extrémité aval du tube, c'est-à-dire son extrémité supérieure. Le gaz combustible est ainsi projeté, à travers les orifices 49, contre les diffuseurs 6 pour favoriser sa redirection et la génération de turbulences.
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Dans un autre exemple illustré par la figure 5, les orifices 49 sont disposés de sorte que le gaz combustible soit orienté de manière oblique, c'est-à-dire que le gaz est directement introduit dans la chambre de combustion 3 de manière à créer un mouvement turbulent. Les orifices 49 sont par exemple orientés sensiblement à 45° par rapport au sens amont-aval, c'est-à-dire ici par rapport à la verticale, de sorte que le gaz combustible se déplace vers l'aval tout en générant des turbulences, conjointement au mouvement turbulent du comburant. Selon la conception exacte de la chambre de combustion 3, il est également possible de disposer des orifices 49 de sorte que le gaz combustible soit orienté de manière oblique et en direction des diffuseurs 6, par exemple en direction des premiers diffuseurs 61, ou en direction des troisièmes diffuseurs 65 comme illustré dans la figure 8. Inversement, et comme illustré dans les figures 6 et 7, les orifices 49 peuvent également être disposés selon l'extrémité aval du tube, de sorte que le gaz combustible soit orienté entre les troisièmes diffuseurs 65.
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En outre, il est également possible de ménager des encoches 63, 64 sur les diffuseurs 6 de manière à créer d'autres flux de fluide stimulant le mélange. Dans l'exemple de la figure 3, on prévoit ainsi des premières encoches 64 ménagées sur les premiers diffuseurs 61, ainsi que des deuxièmes encoches 63, disposées régulièrement en forme de « peigne », sur les deuxièmes diffuseurs 62.
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Enfin, selon une variante spécifique illustrée dans les figures 5 et 8, on prévoit additionnellement un tamis 7 disposé dans la chambre de combustion 3 en amont de la source d'allumage 5 et en aval du premier ensemble de diffuseurs 6. Le tamis 7 forme avantageusement un arrête flamme, de sorte que la chambre de combustion 3 soit délimitée en une première zone 33 de prémélange, dans laquelle le fluide est en mouvement turbulent de manière à mélanger le gaz combustible et le comburant, et une deuxième zone 34 de combustion, à laquelle la réaction est confinée. Le tamis 7 permet à la fois d'empêcher une remontée de la combustion en amont et de ralentir la circulation vers l'aval, favorisant le mélange du comburant et du gaz combustible pour assurer une combustion complète.
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Ainsi, on comprendra que la présente invention prévoit une torchère fermée dont la structure interne favorise grandement un mouvement turbulent du comburant et du gaz combustible. Ce mouvement résulte en une combustion turbulente, laquelle permet d'obtenir une combustion comparativement plus complète. En outre, l'emploi de diffuseurs pour générer les turbulences correspond à une conception simple à mettre en œuvre et non limitée à des plages de débit particulières, sans contraindre la forme de l'alimentation en gaz.
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Il devra être observé que cette description détaillée porte sur un exemple de réalisation particulier de la présente invention, mais qu'en aucun cas cette description ne revêt un quelconque caractère limitatif à l'objet de l'invention ; bien au contraire, elle a pour objectif d'ôter toute éventuelle imprécision ou toute mauvaise interprétation des revendications qui suivent.
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Il devra également être observé que les signes de références mis entre parenthèses dans les revendications qui suivent ne présentent en aucun cas un caractère limitatif ; ces signes ont pour seul but d'améliorer l'intelligibilité et la compréhension des revendications qui suivent ainsi que la portée de la protection recherchée.