Brevet FR2905001A1 — publié le 20080222

B8477 1 PROCÉDÉ D'INTENSIFICATION DE COMBUSTION D'UN CARBURANT SOLIDE La présente invention concerne l'industrie de la métallurgie et plus particulièrement la combustion de carburants solides tels que du charbon, de la tourbe, du bois. Les procédés de combustion de carburants solides sont bien connus. De plus, un très grand nombre de procédés d'intensification de combustion de carburants solides sont connus. Selon un de ces procédés la combustion est intensifiée par augmentation de la concentration en oxygène dans la flamme, d'où il résulte une augmentation d'atomes et de radicaux contenant de l'oxygène dans la zone de combustion. Un procédé de fusion d'acier par convertisseur d'oxygène est connu (voir N. F. Kazakov, A. M. Osokin, A. P. Sishkova, "Technology of metals and other structural materials", 1975, page 688). Ce procédé consiste essentiellement à souffler de l'oxygène dans le fer par l'intermédiaire d'une lance. Pendant le soufflage d'oxygène dans la masse à haute température, une oxydation des additifs difficiles à oxyder est obtenue. L'oxydation la plus importante des additifs prend place au niveau de l'interface entre le jet d'oxygène et le métal. L'inconvénient de ce procédé réside dans l'utilisation d'un oxydant précieux, d'où il résulte des pertes d'oxydants improductives dues à une grande consommation d'oxygène, et la 2905001 B8477 2 nécessité d'obtenir l'oxydant en utilisant une technologie complexe supplémentaire consommant de l'énergie. On connaît aussi des procédés d'intensification de combustion catalytiques chimiques de type à hétérophase par 5 traitement d'une zone catalytique au moyen d'une décharge électrique (certificat d'auteur N 1036347. "filtre électrique" 30.04.1982, et H.S. Stolyanrenko "Mechanism of chemical radical reactions in heterophase ozone systems H2O-03-02-Nox-SO2// Bulletin of Cherkassy engineering-technology institute - N 3 - 10 1999 - pp. 81-85). L'influence de la décharge électrique sur des processus d'hétérophase chimiques entraîne la possibilité que des réactions prennent place à des températures de 300 à 500 degrés plus faible qu'en l'absence de cette influence, ce qui s'explique par une activation supplémentaire du processus par 15 des électrons, des ondes ou de la lumière en plus de l'activation par la température. Les inconvénients de cette technologie sont qu'elle a été étudiée pour de faibles concentrations des composants de réaction ce qui conduit à une augmentation de la dépense en 20 énergie pour la génération de la décharge électrique. Les demandeurs se sont également référés au brevet russe n 2125682 qui décrit un procédé d'intensification et de contrôle d'une flamme qui sera pris comme exemple de référence. Le procédé d'intensification de combustion consiste à traiter la flamme par un champ électrique longitudinal élevé (2 kV/cm et plus), et un fort champ électrique transversal, amené en rotation par exemple au moyen d'un système d'électrodes triphasé et d'une source haute tension triphasée. Le procédé comprend également une opération de mesure de hauteur de flamme et de ses autres paramètres, un changement de la distance entre électrodes d'application du champ longitudinal à la flamme avec un contrôle simultané de l'intensité du champ. Le procédé permet également de faire tourner la flamme par le champ électrique transversal ce qui augmente le mélange et le degré de réduction carburant-air et augmente en outre la combustion. Le nouveau 2905001 B8477 3 procédé proposé d'introduction d'un champ électrique dans la zone de combustion par le champ électrique longitudinal au niveau moléculaire augmente encore le procédé de combustion de flamme et diminue la consommation de carburant. Le procédé per- 5 met également de contrôler la forme de la flamme, la température et la conduction de chaleur de celle-ci par la modification de la forme et des paramètres électriques des champs électriques susmentionnés, par exemple pour focaliser la flamme ce qui suffit par exemple au traitement thermique de métaux et 10 d'alliages. Les inconvénients de ce procédé sont de forts besoins en puissance ce qui réduit le rendement du processus, la nécessité de mélanger le carburant et d'une atomisation électrostatique, et la complexité du processus de régulation de la 15 combustion. La présente invention vise à ajouter à la composante thermique d'activation du processus de combustion une activation électronique, par une onde, par de la lumière et par voie électrocatalytique pour atteindre un degré maximum de brûlage du 20 carbone présent dans le carburant solide. L'invention est basée sur la combustion du mélange air-carburant dans le champ électrique au moyen d'un catalyseur disposé dans la zone de combustion à laquelle une haute tension est appliquée, d'où il résulte une diminution des énergies 25 d'activation de toutes les phases endothermiques de combustion dues à la création d'atomes d'oxyde, de radicaux de carbone et de radicaux contenant de l'oxygène. Cet objet est atteint en faisant se recouvrir une zone de décharge, une zone de combustion et des processus électro- 30 catalytiques de synthèse d'un plasma à basse température produit entre deux électrodes en appliquant une haute tension aux électrodes, les électrodes étant faites en des métaux de transition ou leurs oxydes, ou autre matériau conducteur sur lequel est appliqué un catalyseur. La tension au niveau des électrodes 35 est comprise entre 5 et 20 kV. 2905001 B8477 4 Une analyse comparative avec l'exemple de référence donné ci-dessus conduit à la conclusion que la solution selon l'invention diffère de l'exemple de référence par la création d'un plasma à basse température et la création de processus 5 électrocatalytiques dans la zone de combustion. Ceci conduit à des vitesses de thermodestruction et de destruction électrocatalytique du carbone et d'hydrocarbure qui sont désorbés du charbon, à l'augmentation des vitesses d'oxydation des composés carbonés en dioxyde de carbone et en eau, en raison d'une forte 10 concentration en radicaux contenant de l'oxygène, à une augmentation du degré de brûlage de carbone des carburants solides, et donc à une économie de carburant solide. Etant donné que les processus d'oxydation et de plasma catalytique sont produits dans une seule zone, les dépenses en énergie par rapport à 15 l'exemple de référence sont réduites d'un facteur trois, ce qui permet de réaliser une forte économie de carburant. Les dépenses en carburant pour créer un plasma à basse température ne dépassent pas 2 à 5 % de l'avantage énergétique obtenu par le procédé proposé. 20 Le procédé selon l'invention comporte des étapes physiques et thermochimiques. Le broyage du carburant, le transport de carburant et d'air dans la zone de combustion, le mélange de carburant et d'air, et la combustion dans une chambre de combustion de structures différentes sont réalisés. L'inten- 25 sification du processus de combustion par rapport à l'exemple comparatif en utilisant un champ électrique se produit dans la zone de mélange et de combustion. L'intensification grâce au procédé selon la présente invention est liée à la zone de combustion dans laquelle les processus de combustion, les pro30 cessus de radicaux oxydants, et l'activation catalytique du carburant sont mis en oeuvre ensemble. Ainsi la présente invention prévoit un procédé d'intensification de combustion de carburants solides consistant à faire brûler un mélange air-carburant dans un champ élec- 35 trique, dans lequel le processus de combustion prend place au 2905001 B8477 5 moyen d'un catalyseur disposé dans la zone de combustion et auquel une haute tension est appliquée, d'où il résulte la réduction des énergies d'activation de toutes les phases de combustion endothermiques par suite de la formation d'atomes 5 d'oxygène, de radicaux de carbone et de radicaux contenant de l'oxygène. Selon un mode de réalisation, les électrodes sont en des métaux de transition, leurs oxydes, ou tout autre matériau conducteur revêtu du catalyseur. Selon un mode de réalisation, la tension appliquée aux électrodes est comprise entre 5 et 20 kV. La solution technique proposée est expliquée par les figures parmi lesquelles : la figure 1 représente un schéma de montage ; et la figure 2 représente une comparaison de variations de température. En figure 1, les références désignent les éléments suivants : 1 chambre de combustion, 20 2 zone de combustion de carburant, 3 tube d'allumage électrothermique du mélange air-carburant, 4 réservoir rempli d'eau chauffée, 5 grille inférieure, 6 isolement thermostatique, 25 7 électrode haute tension, 8 alimentation électrique, 9 masse. On va maintenant décrire un mode de réalisation particulier de la présente invention. 30 Le flux d'air contenant un carburant solide en poudre arrive dans la chambre de combustion 1. Il traverse la grille 7 et la grille inférieure 5, et arrive dans la zone 2. Le chauffage électrique 3 fournit la température d'allumage du mélange carburant-air et est ensuite coupé. Le processus de combustion 35 stable est établi et est défini par la vitesse de chauffage d'un 10 15 2905001 B8477 6 volume mesuré avec précision d'un milieu de transfert de chaleur 4 (de l'eau dans le mode de réalisation décrit). Une tension de 5 à 20 kV est fournie à partir de l'alimentation 8, 9 à la grille 7 revêtue du catalyseur augmentant le processus de 5 combustion. Ce mode de fonctionnement est défini par la vitesse de chauffage du volume du milieu de transfert de chaleur 4. La figure 2 représente la température de l'eau chauffée en fonction du temps quand on met en oeuvre des expériences sans décharge (courbe 1) et avec décharge (courbe 2). 10 Quand du charbon est amené à brûler en présence d'une décharge, le chauffage de l'eau est accéléré ce qui est mis en évidence par la libération d'une plus grande quantité de chaleur que dans le cas d'une absence de décharge. Sur les courbes on peut voir trois zones : une zone A d'établissement du processus de combus- 15 tion uniforme (début des courbes de 0 à 2 minutes) ; une zone B de combustion uniforme du charbon : partie sensiblement rectiligne au milieu de la courbe de 2 à 16 minutes ; et une zone C d'extinction du processus de combustion (après 16 minutes). Pour la détermination de la puissance de combustion fournie par le 20 charbon et de l'efficacité de l'activation électrique, on utilise la partie B de combustion uniforme. La puissance thermique spécifique libérée dans l'expérience sans décharge et de 73 W/h alors que, en présence de la décharge, elle monte en moyenne 94,5 W/h, c'est-à-dire 18,6 % de 25 plus, d'où il résulte une réduction de la dépense en carburant de la même quantité. Dans deux expériences distinctes, le taux de brûlage du charbon a été mesuré. Dans ce but, les cendres de charbon et le taux de brûlage de charbon avec et sans décharge ont été 30 mesurés. Le taux de brûlage de charbon sans décharge est environ 72 % (ce qui correspond à peu près aux chaudières à grille intégrée) et le taux de brûlage de charbon avec décharge monte à 89 %. Le taux de brûlage augmente en moyenne de 17,45 %. Quand la grille catalytique d'électrode à haute ten- 35 Sion est enlevée de la zone de combustion, la vitesse de 2905001 B8477 7 chauffage du milieu de transfert de chaleur est réduite, l'effet d'intensification de la combustion du carburant est réduit, et le contenu en carbone dans les cendres est proche des valeurs obtenues sans décharge. 5 Ainsi, le procédé selon la présente invention d'intensification d'un processus de combustion conduit à une économie de carburant, un brûlage plus complet du carburant solide, et une augmentation du rendement de combustion. La solution technique selon l'invention permet de 10 fabriquer une installation d'intensification de combustion de carburant solide pour des chaudières existantes de toutes capa-cités. La mise en oeuvre de cette solution technique ne néces-site pas de modification ou de réusinage de chaudière l'équipement électrique pour la création de la décharge élec- 15 trique et du plasma à basse température est standard ; les catalyseurs déposés sur la grille haute tension sont disponibles dans le public. REVENDICATIONS 1. Procédé d'intensification de combustion de carburants solides consistant à faire brûler un mélange air-carburant dans un champ électrique, caractérisé en ce que le processus de combustion prend place au moyen d'un catalyseur disposé dans la zone de combustion (2) et auquel une haute tension (8) est appliquée, d'où il résulte la réduction des énergies d'activation de toutes les phases de combustion endothermiques par suite de la formation d'atomes d'oxygène, de radicaux de carbone et de radicaux contenant de l'oxygène. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur est déposé sur des électrodes en des métaux de transition ou leurs oxydes. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension appliquée aux électrodes est comprise entre 5 et 15 20 kV.