FR3095497A1 - Bruleur en nano materiaux frittes pour la combustion par flamme d’un premelange gazeux du type comburant/combustible - Google Patents

Bruleur en nano materiaux frittes pour la combustion par flamme d’un premelange gazeux du type comburant/combustible Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un bruleur alimenté par un mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible, ledit mélange traversant avec une pression supérieure à la pression atmosphérique une paroi poreuse, dont la section moyenne des porosités est inférieure à 10-5 mètres . Figure d’abrégé : Figure 1

Description

BRULEUR EN NANO MATERIAUX FRITTES POUR LA COMBUSTION PAR FLAMME D’UN PREMELANGE GAZEUX DU TYPE COMBURANT/COMBUSTIBLE
La présente invention concerne le domaine des générateurs de flamme, plus particulièrement des bruleurs, notamment pour chaudières ou gazinières.
L’époque actuelle a vu les populations prendre conscience de la pollution induite par les énergies fossiles ; qu’il s’agisse de la pollution par le CO2, à l’origine du réchauffement climatique, des « particules » générées par les moteurs diesel ou des oxydes d’azotes NOx, qui s’avèrent hautement toxique pour l’Homme.
Afin de limiter l’utilisation des énergies fossiles, des énergies dites « vertes » se sont développées. On peut citer par exemple l’énergie éolienne ou l’énergie solaire issue des panneaux photovoltaïques.
Le problème que pose ce type de sources d’énergies est le caractère irrégulier de celles-ci , car dépendantes du climat. On a alors vu apparaitre un besoin de stockage des électrons issus de ces énergies vertes, afin de pouvoir redistribuer l’énergie à toute heure du jour ou de la nuit, d’un jour à l’autre, d’une semaine à l’autre, d’une saison à l’autre…
Le stockage de cette énergie se fait :
  • Soit de manière directe, en stockant l’énergie dans des « batteries secondaires », des batteries rechargeables capables d’accumuler l’énergie électrique et de la redistribuer à la demande. L’inconvénient principal de ces batteries secondaires est leur composition, en effet, elles sont constituées de métaux rares, tels le lithium, présents en quantité limitée sur terre, et qui entrainent une pollution des sols lors de leur extraction.
  • Soit de manière indirecte, en utilisant l’énergie pour produire de l’hydrogène par électrolyse de la molécule d’eau. Cet hydrogène étant ensuite stocké sous pression pour être réutilisé à la demande, ne formant lors de son utilisation que des molécules d’eau.
Le stockage de l’énergie sous forme d’hydrogène est donc une solution d’avenir, écologique et durable, pour pouvoir fournir de l’énergie à la demande.
Deux méthodes existent pour utiliser l’énergie stockée dans l’hydrogène :
  • Soit utiliser une pile à combustible pour reproduire l’énergie électrique.
  • Soit réaliser la combustion de l’hydrogène et utiliser les calories ainsi obtenues.
Les piles à combustible, bien que méthode privilégiée à l’heure actuelle dans un grand nombre de domaines techniques, présente un inconvénient majeur en ce qu’elles comportent une quantité non négligeable de platine, ressource limitée et couteuse.
On note de plus que en ce qui concerne la production de calories, la combustion de l’hydrogène est la meilleure option, car elle dispose d’un rendement de 99%, quand la pile à combustible présente un rendement de 50% pour former de l’électricité, qui servira à alimenter un moyen de chauffage ayant un rendement aux alentours de 50%, soit un rendement énergétique global de seulement 25% .Ainsi, on comprend par ces avantages l’intérêt de développer un bruleur permettant la combustion de l’hydrogène.
État de la technique
On connait de l’art antérieur le brevetEP0780631B1présentant une méthode de combustion de l’hydrogène par un bruleur, dans une chambre de combustion de turbine à gaz. Le bruleur étant un bruleur « en tête », dit aussi bruleur à flamme de diffusion, dans lequel les réactants sont séparés : d’un côté le comburant, de l’autre côté le combustible.
Ce bruleur, comme tous les bruleurs à mélange en tête présente l’avantage de ne pas avoir de remontée de flamme dans la zone de mélange, mais il a l’inconvénient de générer des NOx (NO ou NO2) du fait de la température élevée de combustion. De plus, un second inconvénient de ce type de bruleurs, est le mauvais rendement énergétique qu’ils procurent, du fait d’un mélange air/hydrogène dans l’air ambiant à la sortie du brûleur non homogène ,générant de l’hydrogène imbrulé.
On connait également de l’art antérieur le brevetEP0187441B1, présentant un bruleur « en tête », dans lequel un pré-mélange hydrogène/air sert de combustible, et de l’air sert de comburant. Ce brevet propose ici une méthode pour réduire la formation de NOx lors de la combustion. On note toutefois que bien qu’ils soient produits en moins grande quantité par rapport aux mélanges « en tête » classiques, des oxydes d’azote restent produits par ce bruleur.
Enfin, on connait le brevetEP2529157décrivant un bruleur sans flamme permettant de réaliser la combustion d’un mélange air/hydrogène en présence de platine, jouant ici le rôle de catalyseur. Le platine est un catalyseur bien connu dans les réactions de combustions sans flammes, il permet de diminuer la température de combustion par catalyse et ainsi éliminer la formation de NOx en réduisant la température lors de la combustion par catalyse. Le platine étant une ressource limitée, et très couteuse, son utilisation en tant que catalyseur rend l’utilisation de tels bruleurs impossible à grande échelle. On note également que la réaction d’oxydation de l’hydrogène avec un catalyseur demande une qualité de pureté de l’hydrogène qui rend ce procédé très onéreux. Les spécifications de pureté de l’hydrogène sont reprises dans la norme ISO/DIS 14687 de Septembre 2018.
Les inventeurs ont mis au point un bruleur alimenté par un mélange air-hydrogène, comportant une paroi poreuse dont les pores sont inférieurs à 10 microns.
De par sa conception innovante, le bruleur selon l’invention est à la fois peu couteux, très peu polluant, et n’utilise pas de ressources limitées pour sa production. Celui-ci est de plus utilisable avec tout type de mélange comburant/combustible, dans toutes les proportions, et permet par ailleurs une bonne accroche de la flamme, tout en empêchant le retour de flamme.
Brève description des figures
Les figures 1 et 2 illustrent un bruleur constitué d’un matériau fritté de nano particules d’oxyde de silicium selon l’invention.
La figure 1 présentant une coupe frontale du bruleur.
La figure 2 présentant une vue de face du bruleur .
Description détaillée de l’invention
Un premier objet de l’invention concerne un bruleur alimenté par un mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible, ledit mélange traversant avec une pression supérieure à la pression atmosphérique une paroi poreuse, dont la section moyenne des porosités est inférieure à 10-5mètres .
On entend par bruleur au sens de l’invention un dispositif capable de réaliser la combustion par flamme du mélange qui l’alimente. Ladite combustion par flamme ayant lieu au niveau de la paroi poreuse.
On entend par « mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible » au sens de l’invention, un ensemble comburant/combustible qui arrive mélangé à la paroi poreuse en sortie du bruleur. En effet, le bruleur selon l’invention, bien que conçu pour résoudre les différents problèmes techniques dus à la combustion de l’hydrogène issu d’un pré-mélange, s’avère utilisable avec tous types de mélanges gazeux comprenant au moins un comburant et un combustible.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, le « mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible » est un mélange comprenant de l’air et de l’hydrogène. L’oxygène contenu dans l’air joue le rôle de comburant, et l’hydrogène celui de combustible.
A l’inverse des bruleurs de l’art antérieur utilisant des catalyseurs et nécessitant donc une pureté très élevée de l’hydrogène pour ne pas abimer le catalyseur, les bruleurs selon l’invention peuvent être utilisés avec un hydrogène de n’importe quelle qualité.
Dans un mode de réalisation alternatif de l’invention, le « mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible » est un mélange comprenant de l’air, de l’hydrogène et du méthane. L’oxygène contenu dans l’air joue le rôle de comburant, et l’hydrogène et le méthane jouent le rôle de combustibles.
Dans un autre mode de réalisation alternatif, le « mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible » est un mélange comprenant de l’oxygène pur et un ou plusieurs combustibles.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le mélange est un mélange stœchiométrique. On entend par mélange stœchiométrique au sens de l’invention, un mélange équilibré permettant la consommation complète de tous les réactifs.
Ainsi, dans le cas préféré d’un mélange air/hydrogène , le mélange stœchiométrique respecte la réaction suivante : H2+ ½ O2= H2O
Soit : pour 1 moles de O2 on ajoute 2 moles de H2.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, le mélange est un mélange « quasi-stœchiométrique ». On entend au sens du présent brevet par « quasi-stœchiométrique » un mélange contenant ±15% du ratio stœchiométrique comburant/combustible.
Ainsi dans le cas préféré d’un mélange air/hydrogène, on comprend que pour 1 mole d’O2 on pourra ajouter entre 1,7 et 2,3 moles d’H2.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le mélange utilisé pour alimenter le bruleur comporte un de ses composants en excès.
Dans un mode de réalisation plus particulier, le mélange utilisé pour alimenter le bruleur comporte du combustible en excès. Un tel mode de réalisation permet par exemple d’obtenir un milieu réducteur si le combustible en excès est l’hydrogène. Cela est particulièrement utile dans le milieu de la métallurgie.
Dans un mode de réalisation plus particulier alternatif, le mélange utilisé pour alimenter le bruleur comporte du comburant en excès. Un tel mode de réalisation permet notamment de faire diminuer la température de combustion.
Dans un mode de réalisation encore plus particulier, le mélange utilisé pour alimenter le bruleur comporte de l’air en fort excès et de l’hydrogène. Un tel mode de réalisation permet de produire de l’air chaud afin de chauffer directement et sans cheminée.
Dans un mode de réalisation plus particulier alternatif, le mélange utilisé pour alimenter le bruleur comporte un gaz n’étant ni comburant, ni combustible en excès. Un tel mode de réalisation permet notamment d’ajouter un gaz ayant une fonction de caloporteur , afin de définir la température du fluide gazeux à la combustion. A titre d’exemple, il est possible d’ajouter de l’argon à un mélange stœchiométrique oxygène pur/hydrogène. Les calories sont alors cédées au débit de l’argon venant se mélanger avec O2et H2 qui se combinent en H2O à la combustion. Ainsi, le bilan des calories produites par la combustion sur un débit massique d’argon se caractérise par un delta T°C du fluide d’argon.
De par sa structure novatrice, le bruleur selon l’invention est à même de fonctionner avec des mélanges dits « partiels ». Ainsi, dans un mode de réalisation alternatif, le mélange selon l’invention est composé d’un comburant tel que l’air et d’un mélange de combustibles gazeux comprenant de l’hydrogène. Le mélange peut par exemple être un mélange d’hydrogène et de méthane.
Dans une version préférée de ce mode de réalisation alternatif, le mélange est un mélange d’air d’hydrogène et d’un autre combustible, le tout étant dans des proportions stœchiométriques.
Dans une version encore plus préférée ledit mélange est un mélange « quasi-stœchiométrique » tel que décrit précédemment.
Le mélange comburant/combustible selon l’invention peut être obtenu à l’aide d’un mélangeur de gaz tels qu’ils sont connus de l’homme du métier.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le mélange comburant/combustible est réalisé à l’aide d’un mélangeur de type venturi.
Un tel mélangeur dont le principe est connu de l’homme du métier, permet, en ajustant la pression du comburant présent dans la veine principale et du combustible présent dans la veine secondaire, d’obtenir un mélange comburant/combustible tel que souhaité par l’utilisateur.
On entend par paroi poreuse au sens de l’invention, une paroi dont la section moyenne des porosités est inférieure à 10-5m. On qualifiera cette paroi de paroi « microporeuse ».
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la section moyenne des porosités de la paroi est inférieure à 10-6m, plus préférentiellement inférieure à 10-7m, et encore plus préférentiellement inférieure à 10-8m. Chacun de ces modes de réalisation préférés étant indépendamment utilisables dès lors qu’on évoque la paroi selon l’invention.
Un mode de réalisation encore plus préféré de l’invention consiste donc en un bruleur alimenté par un mélange tel que décrit précédemment, le mélange gazeux traversant une paroi dont la section moyenne des porosités est inférieure à 10-8m. On qualifiera cette paroi de paroi « nanoporeuse ».
Une paroi selon l’invention permet de résoudre le problème de retour de flamme pouvant se présenter dans les bruleurs utilisant un pré-mélange, en particulier lors de l’utilisation d’un combustible ayant une vitesse de propagation de flamme importante tel l’hydrogène.
On entend par « retour de flamme » le phénomène dû à la non stabilisation d'une flamme de pré-mélange qui quitte sa position d'équilibre statique apparent au sommet d'un brûleur pour remonter le courant des gaz frais et pénétrer dans le brûleur.
La paroi poreuse selon l’invention, forme en effet des « micro-sections de passage », ou « nano-sections de passage » dans le cas de paroi nanoporeuse, qui permettent d’empêcher le retour de flamme dans le bruleur, en empêchant la combustion par flamme dans le matériau.
Il est connu de l’art antérieur d’utiliser un matériau anti-retour de flamme afin de stopper la flamme en cas de retour. Cependant, on note que particulièrement dans le cadre de la combustion de l’hydrogène, le retour de flamme est tel que le matériau stoppant la flamme finit par s’abimer au contact de la chaleur de la flamme. La paroi poreuse selon l’invention permet donc d’empêcher le retour de flamme, sans avoir à ajouter un matériau pour stopper la flamme qui pourra s’abimer au fil des utilisations.
Une telle paroi permet également de garder l’accroche de la flamme sur le bruleur. En effet, du fait de la structure poreuse du matériau, une multitude de passages sont disponibles, permettant une vitesse d’écoulement du pré-mélange en sortie du bruleur, inférieure à la vitesse de propagation de la flamme, la flamme reste donc « accrochée » au bruleur.
Ces deux caractéristiques, à savoir l’absence de retour de flamme et l’accroche facile de la flamme sur le bruleur, permettent d’utiliser le bruleur avec tous types de mélanges gazeux comprenant un comburant et un combustible, et cela, que le mélange soit dans des proportions stœchiométriques, ou que l’un de ses constituants soit en excès.
La réaction de production des oxydes d’azotes est la suivante : N2 (air) + O2 → 2 NO lorsque la température excède 1 400 °C.
La paroi poreuse selon l’invention permet avantageusement de maintenir la température de combustion en dessous du seuil de formation des oxydes d’azote, limitant ainsi très fortement la production de NOx par le bruleur selon l’invention.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, ladite paroi microporeuse est constituée d’un ou plusieurs matériau(x) dans lequel de micropores sont obtenus par frittage du ou desdits matériau(x). Afin de faciliter la compréhension de l’invention, le terme « matériau » regroupera à la fois un ou plusieurs matériau(x).
On entend par frittage au sens de l’invention la consolidation d'un matériau (par exemple une poudre), obtenue en minimisant l’énergie du système grâce à un apport d’énergie (thermique, mécanique, avec un laser...) mais sans fusion d’au moins l’un des constituants.
L’utilisation du frittage pour former les pores de la paroi permet de réaliser des pores d’un diamètre inférieur ou égal à 10-5mètres à un coût de fabrication très faible.
Dans un mode de réalisation préféré, le matériau à fritter est choisi parmi l’oxyde de silicium et l’oxyde d’alumine.
Dans un mode de réalisation encore plus préféré de l’invention, le matériau microporeux est obtenu par montée en température d’oxyde de silicium ou d’oxyde d’alumine jusqu’à obtenir une structure frittée. Il est essentiel lors de la montée en température de rester en dessous de la température de vitrification du matériau à fritter.
Dans un mode de réalisation le plus préféré, le matériau microporeux est obtenu par montée en température d’oxyde de silicium jusqu’à une température comprise entre 900 et 1000°C.
Un second objet selon l’invention concerne une chaudière comportant un ou plusieurs bruleurs selon l’invention.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la chaudière selon l’invention est alimentée par un mélange air/hydrogène. Une telle chaudière présente l’avantage de produire uniquement de l’eau suite à la combustion de l’hydrogène. Ainsi, une telle chaudière alimentée par un mélange air/hydrogène ne produira pas de CO2.
Dans un mode de réalisation particulier, la chaudière selon l’invention est alimentée par un mélange d’air en excès et d’hydrogène de façon à ce qu’elle produise de l’air chaud propulsé. Une telle chaudière présente l’avantage de ne pas produire de CO2 du fait de l’utilisation d’hydrogène, et de ne pas non plus produire de NOx du fait de l’utilisation d’air en excès, permettant de diminuer la température de combustion du mélange de façon à ce qu’elle soit strictement en dessous de 1400°C, température à partir de laquelle la production de NOx à lieu.
Un troisième objet selon l’invention concerne une gazinière comportant un ou plusieurs bruleurs selon l’invention.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, la gazinière selon l’invention est alimentée par un mélange air/hydrogène. Une telle gazinière présente l’avantage de produire uniquement de l’eau suite à la combustion de l’hydrogène. Ainsi, une telle chaudière alimentée par un mélange air/hydrogène ne produira pas de CO2.
Un quatrième objet selon l’invention concerne un four comportant un ou plusieurs bruleurs selon l’invention.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le four selon l’invention est alimenté par un mélange air/hydrogène. Un tel four présente l’avantage de produire uniquement de l’eau suite à la combustion de l’hydrogène. Ainsi, tel four alimenté par un mélange air/hydrogène ne produira pas de CO2.
Exemple de réalisation
Les figures 1 et 2 présentent un bruleur constitué d’un matériau fritté de nano particules d’oxyde de silicium (3) déposées sur une bague (2) frittée à partir de poudres microniques d’inox 316L. La flasque de raccordement (5) et le bouchon (6) sont ensuite collés à la bague (2). Un mélange stœchiométrique d’air et d’hydrogène à 50mbar relatif est injecté dans le bruleur par le tube (1). L’apport d’une flamme en (4) met en évidence la stabilité de la combustion avec flamme du mélange stœchiométrique d’air et d’hydrogène ainsi que la stabilité de la température en dessous des 400°C de la flasque de raccordement (5) et du bouchon (6) du bruleur.

Claims (11)

  1. Bruleur alimenté par un mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible, caractérisé en ce que ledit mélange traverse avec une pression supérieure à la pression atmosphérique une paroi poreuse, la section moyenne des porosités de ladite paroi étant inférieures à 10-5mètres .
  2. Bruleur selon la revendication 1 dans lequel l’air joue le rôle de comburant et l’hydrogène celui de combustible.
  3. Bruleur selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel l’air joue le rôle de comburant et l’hydrogène et le méthane jouent le rôle de combustible.
  4. Bruleur selon la revendication 1 dans lequel de l’oxygène pur joue le rôle de comburant et un ou plusieurs gaz jouent le rôle de combustible.
  5. Bruleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux traverse, avec une pression supérieure à la pression atmosphérique, une paroi poreuse, la section moyenne des porosités étant nanométriques.
  6. Bruleur selon l’une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce ledit mélange est un mélange quasi-stœchiométrique.
  7. Bruleur selon l’une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu’un des composants du mélange gazeux soit en excès.
  8. Bruleur selon l’une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu’il comprend un mélangeur à effet venturi.
  9. Chaudière comportant un bruleur selon l’une des revendications 1 à 8.
  10. Gazinière comportant un bruleur selon l’une des revendications 1 à 8.
  11. Four comportant un bruleur selon l’une des revendications 1 à 8.
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