Brevet FR2863678A1 — publié le 20050617

La présente invention concerne un système de division d'un flux de gaz principal en au moins deux flux de gaz complémentaires, utilisables pour l'alimentation en gaz oxygéné d'un brûleur de combustion étagée. Un des problèmes fréquemment rencontré lors de la combustion des combustibles à l'aide d'un gaz oxygéné et notamment en riche en oxygène est la formation et l'émission des composés type NOx. Une solution avantageuse pour diminuer l'émission de ces composés est d'abaisser la température de la flamme de combustion et un des moyens utilisés est la combustion étagée. Le procédé de combustion étagée des combustibles consiste à diviser la quantité de gaz oxygéné nécessaire à la combustion totale du combustible en au moins deux flux complémentaires de gaz oxygéné introduits à différentes distances du flux de combustible. Ainsi, un premier flux de gaz oxygéné complémentaire est introduit à très proche distance du flux de combustible. Ce flux le plus proche du flux de combustible est dénommé le flux primaire; il permet la combustion partielle du combustible à une température contrôlée qui limite la formation des NOx. L'autre flux de gaz oxygéné complémentaire est introduit à plus grande distance du combustible que le flux de gaz oxygéné primaire; il permet d'achever la combustion du combustible n'ayant pas réagi avec le gaz oxygéné primaire. Ce flux est dénommé flux secondaire. Dans de nombreux cas, le flux de gaz oxygéné primaire présente la même concentration en oxygène que le flux de gaz oxygéné secondaire et provient même de la même source d'alimentation que le gaz oxygéné secondaire. Dans ce cas, afin d'injecter une quantité totale d'oxygène (primaire et secondaire) en quantité stoechiométrique par rapport à la quantité de combustible injecté, la source principale d'alimentation en gaz oxygéné est tout simplement divisée entre le flux de gaz oxygéné primaire et le flux de gaz oxygéné secondaire. Généralement, la proportion de gaz oxygéné primaire varie entre 5 et 50 % de la quantité stoechiométrique en gaz oxygéné et le gaz oxygéné secondaire représente le complément à 100 %. En pratique, un tuyau de dérivation est placé sur l'alimentation générale en gaz oxygéné et le tuyau de dérivation ou l'alimentation générale correspond soit à la source de gaz oxygéné primaire, soit à la source de gaz oxygéné secondaire. Le contrôle de la répartition en pourcentage entre le gaz oxygéné primaire et le gaz oxygéné secondaire se fait à l'aide d'éléments de perte de charge placés sur l'alimentation générale et/ou le tuyau de dérivation, généralement deux éléments sont utilisés. Ils peuvent être placés tous les deux en aval de la dérivation ou l'un peut être placé en amont de la dérivation et l'autre en aval. Deux débitmètres permettent de vérifier la bonne répartition du débit principal entre le flux de gaz oxygéné primaire et le flux de gaz oxygéné secondaire. Le problème de ce genre de procédé de division du flux principal est que l'on ne peut modifier la répartition de ce flux principal entre le flux primaire et le flux secondaire qu'en modifiant simultanément les deux éléments de perte de charge. En outre, un inconvénient de ce procédé est qu'il nécessite un montage compliqué nécessitant la présence de plusieurs débitmètres et de différentes lignes de gaz (présence de différents flexibles), donc de coût élevé. Le but de la présente invention est de proposer un système de division d'un flux de gaz principal en au moins deux flux de gaz et utilisable pour l'alimentation d'un procédé de combustion étagée. Un autre but est de proposer un tel système de faible coût. Un autre but est de proposer un tel système présentant un faible encombrement. Dans ce but, l'invention concerne un système de division d'un flux de gaz principal en au moins deux flux de gaz complémentaires, ledit système étant composé d'un caisson et ledit caisson comprenant: - une première ouverture permettant la distribution depuis le caisson du premier flux de 20 gaz complémentaire, - une deuxième ouverture permettant la distribution depuis le caisson du deuxième flux de gaz complémentaire, - une troisième ouverture permettant l'alimentation du caisson par le flux de gaz principal, - au moins une cloison interne séparant le volume interne du caisson en au moins deux sous-volumes et positionnée dans le caisson de manière à ce que la première et la deuxième ouvertures débouchent dans des sous- volumes différents, ladite cloison interne étant percée d'un orifice de manière à mettre en communication le sous-volume dans lequel débouche la troisième ouverture et le sous-volume dans lequel débouche la première ou la deuxième ouverture, ledit orifice étant de dimension ajustable, - un moyen de contrôle de la dimension de l'orifice percé dans la cloison interne. L'invention concerne également un procédé de division d'un flux de gaz mettant en oeuvre ce système et un procédé de combustion utilisant ce système pour la délivrance d'un gaz oxygéné. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Des formes de réalisation de l'invention sont illustrées par les figures 1 et 2. L'invention concerne donc tout d'abord un système de division d'un flux de gaz 5 principal en au moins deux flux de gaz complémentaires, ledit système étant composé d'un caisson et ledit caisson comprenant: - une première ouverture permettant la distribution depuis le caisson du premier flux de gaz complémentaire, - une deuxième ouverture permettant la distribution depuis le caisson du deuxième flux de 10 gaz complémentaire, - une troisième ouverture permettant l'alimentation du caisson par le flux de gaz principal, - au moins une cloison interne séparant le volume interne du caisson en au moins deux sous-volumes et positionnée dans le caisson de manière à ce que la première et la deuxième ouvertures débouchent dans des sous- volumes différents, ladite cloison interne étant percée d'un orifice de manière à mettre en communication le sous- volume dans lequel débouche la troisième ouverture et le sous-volume dans lequel débouche la première ou la deuxième ouverture, ledit orifice étant de dimension ajustable, - un moyen de contrôle de la dimension de l'orifice percé dans la cloison interne. Dans la présente invention, on entend par "principal" le flux de gaz que l'on souhaite diviser en au moins deux flux, et on entend par "complémentaires" les flux de gaz obtenus à partir du flux de gaz principal et dont le mélange forme le flux de gaz principal. Le caisson du système présente des parois percées d'au moins trois ouvertures destinées à l'introduction du flux de gaz principal dans le caisson et à l'évacuation des flux de gaz complémentaires à l'extérieur du caisson. A l'intérieur du caisson, au moins une cloison interne permet de diviser le volume interne en au moins deux sous-volumes: dans un sous-volume débouche l'ouverture destinée à l'évacuation d'un flux complémentaire, dans l'autre sous-volume débouche l'ouverture destinée à l'évacuation de l'autre flux complémentaire. La cloison interne comprend un orifice de dimension ajustable par un moyen de contrôle, tel qu'un clapet ou un disque. Ce moyen de contrôle permet d'ouvrir plus ou moins l'orifice de la cloison interne de manière à diriger une quantité plus ou moins grande du flux principal vers le flux primaire ou le flux secondaire. Selon une variante, le système peut comprendre: - deux cloisons internes séparant le volume interne du caisson en trois sous-volumes et positionnées dans le caisson de manière à ce que la première, la deuxième et la troisième 35 ouvertures débouchent dans des sous-volumes différents, chaque cloison interne étant percée d'un orifice de dimension ajustable de manière à mettre en communication le sous- volume dans lequel débouche la troisième ouverture, d'une part avec le sous-volume dans lequel débouche la première ouverture, et d'autre part avec le sous-volume dans lequel débouche la deuxième ouverture, - un moyen de contrôle de la dimension des orifices percés dans les cloisons internes. Selon cette variante, l'intérieur du caisson est divisé en trois sousvolumes à l'aide de deux cloisons internes. Dans le premier sous-volume débouche l'ouverture destinée à l'évacuation d'un flux complémentaire, dans le deuxième sous-volume débouche l'ouverture destinée à l'évacuation de l'autre flux complémentaire, dans le troisième sous- volume débouche l'ouverture destinée à l'introduction du flux principal. Les cloisons internes comprennent chacune un orifice. Les orifices sont situés dans les cloisons internes de manière à mettre en communication le sous-volume dans lequel débouche la troisième ouverture, d'une part avec le sous-volume dans lequel débouche la première ouverture, et d'autre part avec le sous-volume dans lequel débouche la deuxième ouverture. Il n'existe pas d'orifice au niveau de la partie de cloison séparant le sous- volume dans lequel débouche la première ouverture et le sous-volume dans lequel débouche la deuxième ouverture. Chaque orifice est de dimension ajustable par un moyen de contrôle, tel qu'un clapet ou un disque. Ce moyen de contrôle permet d'ouvrir plus ou moins les orifices des cloisons internes de manière à diriger une quantité plus ou moins grande du flux principal vers le flux primaire ou le flux secondaire. De préférence, le moyen de contrôle de la dimension des orifices percés dans les deux cloisons internes est un disque percé d'un nombre pair de trous, lesdits trous étant associés par paires sur le disque de manière à ce que les trous d'une même paire puissent être placés simultanément devant l'orifice de la première cloison interne et devant l'orifice de la deuxième cloison interne. L'invention concerne aussi un procédé de division d'un flux de gaz principal en au moins deux flux de gaz complémentaires, dans lequel on met en oeuvre le système de division précédent en alimentant la troisième ouverture par ledit flux de gaz principal. Selon un premier mode, le procédé peut être mis en oeuvre avec un système comprenant une seule cloison interne et dans lequel la division du flux de gaz principal désirée est fonction du rapport de la surface de l'orifice percé dans la cloison interne sur la surface de la première ouverture. Selon un deuxième mode, le procédé peut être mis en oeuvre avec la variante du système précédemment décrit comprenant deux cloisons internes séparant le volume 35 interne du caisson en trois sous-volumes et dans lequel la division du flux de gaz principal désirée est fonction du rapport des surfaces des orifices percés dans les cloisons internes. Le premier mode du procédé de l'invention est développé en relation avec la figure 1. La division du flux principal 1 en flux complémentaires 2 et 3 à l'aide du système est obtenue de la manière suivante. On alimente le caisson 4 du système par introduction du flux de gaz principal 1 dans la troisième ouverture 7. Le flux de gaz principal 1 est alors introduit dans le premier sous-volume 9 du caisson 4 comprenant la première et la troisième ouvertures 5 et 7 ainsi que l'orifice Il de la cloison interne 8 du caisson 4. Le flux de gaz principal 1 est donc diviser en deux flux: l'un s'échappant par la première ouverture 5 du caisson, et formant le premier flux 2 de gaz complémentaire, et l'autre s'échappant par l'orifice de la cloison interne 11 de manière à entrer dans le deuxième sous-volume 10 du caisson 4. Le flux présent dans le deuxième sous-volume s'échappe ensuite par la deuxième ouverture 6 du caisson 4, formant ainsi un deuxième flux 3 de gaz complémentaire. Une vanne de régulation 12 permet le contrôle de l'ouverture de l'orifice 11: cette vanne peut se mouvoir le long de la paroi du caisson de manière à obturer plus ou moins l'orifice 11. Ainsi, la division du flux de gaz principal désirée est fonction du rapport de la surface de l'orifice percé dans la cloison interne sur la surface de la première ouverture. Le deuxième mode du procédé est développé en relation avec la figure 2 représentant la variante du système selon l'invention. On alimente le caisson 4 du système par introduction du flux de gaz principal 1 dans la troisième ouverture 7. Le caisson comprend deux cloisons internes 8 et 13 délimitant trois sous-volumes 9, 10 et 14. Ces cloisons internes sont percées chacune d'un orifice 15 et 11 permettant de répartir le flux de gaz principal dans les deux sous- volumes 10 et 14. Le flux de gaz principal 1 est introduit dans le premier sous-volume 9 du caisson 4. Il est ensuite distribué entre les deux sous-volumes 10 et et 14 en passant à travers les orifices 11 et 15. La partie de gaz présente dans le premier sous-volume 14 s'échappe ensuite du système par l'ouverture 5 du caisson et forme le premier flux 2 de gaz complémentaire. La partie de gaz présente dans le deuxième sous- volume 10 s'échappe du système par l'ouverture 6 du caisson et forme ainsi le deuxième flux 3 de gaz complémentaire. Un disque 16 percé d'un nombre pair de trous est placé contre les surfaces des parois 13 et 8 de manière à ce qu'au moins deux de ses trous 17 et 18 puissent être situés simultanément devant l'orifice 15 et l'orifice 11. De préférence, ces deux trous 17 et 18 du disque 16 présentent un rapport de surface tel qu'ils permettent d'obtenir la division du flux de gaz principal désirée entre les deux flux de gaz complémentaires. Ce disque 15 peut tourner autour de son centre 19 de façon à ce qu'une paire de trous présentant un rapport de surface différent de la paire précédente 16 et 17 puisse être placée en face des orifices 11 et 15 et permette une division différente du flux principal entre les flux complémentaires. Le procédé de division d'un flux principal en au moins deux flux complémentaires est adaptable à la division d'un flux de gaz oxygéné en au moins deux flux, notamment en vue de leur utilisation dans un procédé de combustion, ce procédé de combustion étant de préférence un procédé de combustion étagée. Le rapport des débits des deux flux de gaz oxygéné complémentaires est contrôlé par le rapport de la surface de l'orifice percé dans la cloison interne sur la surface de la première ouverture. L'invention concerne aussi un procédé de combustion d'un combustible à l'aide d'un gaz oxygéné dans lequel le gaz oxygéné est introduit dans le milieu de combustion sous forme de deux flux complémentaires, et dans lequel les deux flux de gaz oxygéné complémentaires sont produits par le système précédent. Pour un procédé de combustion étagée, ce rapport de la surface de l'orifice percé dans la cloison interne sur la surface de la première ouverture peut être compris entre 1 et 3. REVENDICATIONS 1. Système de division d'un flux de gaz principal (1) en au moins deux flux de gaz complémentaires (2, 3), caractérisé en ce qu'il est composé d'un caisson (4), ledit caisson 5 comprenant: - une première ouverture (5) permettant la distribution depuis le caisson (4) du premier flux de gaz complémentaire (2), - une deuxième ouverture (6) permettant la distribution depuis le caisson (4) du deuxième flux de gaz complémentaire (3), - une troisième ouverture (7) permettant l'alimentation du caisson (4) par le flux de gaz principal (1), - au moins une cloison interne (8) séparant le volume interne du caisson en au moins deux sous-volumes (9, 10) et positionnée dans le caisson (4) de manière à ce que la première et la deuxième ouvertures (5, 6) débouchent dans des sous-volumes différents, ladite cloison interne (8) étant percée d'un orifice (11) de manière à mettre en communication le sous-volume (9) dans lequel débouche la troisième ouverture (7) et le sous-volume (10) dans lequel débouche la première (5) ou la deuxième (6) ouverture, ledit orifice (11) étant de dimension ajustable, - un moyen (12) de contrôle de la dimension de l'orifice (11) percé dans la cloison interne 20 (8). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de contrôle (12) de la dimension de l'orifice percé dans la cloison interne est un clapet. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend: - deux cloisons internes (8, 13) séparant le volume interne du caisson en trois sous-volumes (9, 10, 14) et positionnées dans le caisson (4) de manière à ce que la première, la deuxième et la troisième ouvertures (5, 6, 7) débouchent dans des sous-volumes différents, chaque cloison interne (8, 13) étant percée d'un orifice (11, 15) de dimension ajustable de manière à mettre en communication le sous-volume (9) dans lequel débouche la troisième ouverture (7), d'une part avec le sous-volume (10) dans lequel débouche la première ouverture (6), et d'autre part avec le sous- volume (14) dans lequel débouche la deuxième ouverture (5), - un moyen de contrôle de la dimension des orifices (11, 15) percés dans les cloisons 35 internes (8, 13). 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de contrôle de la dimension des orifices (11, 15) percés dans les cloisons internes (8, 13) est un disque percé d'un nombre pair de trous, lesdits trous étant associés par paires sur le disque de manière à ce que les trous d'une même pairepuissent être placés simultanément-devant l'orifice (11) de la première cloison interne (8) et devant l'orifice (15) de la deuxième cloison interne (13). 5. Procédé de division d'un flux de gaz principal (1) en au moins deux flux de gaz 10 complémentaires (2, 3), caractérisé en ce qu'on met en oeuvre le système selon l'une des revendications 1 à 4 en alimentant la troisième ouverture (7) par ledit flux de gaz principal (1)- 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le système comprend une seule cloison interne (8) et en ce que la division du flux de gaz principal désirée est fonction du rapport de la surface de l'orifice (11) percé dans la cloison interne (8) sur la surface de la première ouverture (5). 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un système selon la revendication 3 ou 4 et en ce que la division du flux de gaz principal désirée est fonction du rapport des surfaces des orifices (11, 15) percés dans les cloisons internes (8, 13). 8. Procédé de combustion d'un combustible à l'aide d'un gaz oxygéné dans lequel le gaz oxygéné est introduit dans le milieu de combustion sous forme de deux flux complémentaires, caractérisé en ce que les deux flux de gaz oxygéné complémentaires sont produits par un système selon l'une des revendications 1 à 4. 9. Procédé de combustion tel que défini à la revendication 8, caractérisé en ce qu'il s'agit 30 d'un procédé de combustion étagée.