Brevet FR2971326A1 — publié le 20120810

La présente invention se rapporte à un dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière, permettant le mélange d'un catalyseur particulier au comburant de la chaudière. Elle s'applique plus généralement à tout dispositif de production ou de destruction thermique à partir de combustibles à chaine carbonée, comme un four, une chaudière ou un incinérateur. Elle porte aussi sur un dispositif d'alimentation en comburant pour chaudière ainsi que sur une chaudière en tant que telle équipée du dispositif d'amélioration de performance selon l'invention. Enfin, elle porte sur un procédé d'amélioration de la performance de la combustion d'une chaudière. Une solution de l'état de la technique est décrite dans le document FR2837214, qui préconise d'une part de mélanger des vapeurs catalytiques de type méthyl cyclopentadienyl manganèse tricarbonyl à l'air de combustion d'une chaudière, et d'autre part d'injecter des fines gouttelettes de cet agent catalytique directement dans le combustible, en vue d'obtenir une réduction des oxydes de soufre et d'azote en sortie de la chaudière. Cette solution permet d'obtenir une diminution significative de la pollution générée par la combustion d'une chaudière mais reste toutefois complexe et non optimisée. Le document WO2010/063771 décrit une application basée sur le principe défini dans le document précédent, qui repose d'une part sur un mélange de catalyseur dans le comburant par capillarité, et d'autre part sur une gestion de la thermique du mélange obtenu basée sur un chauffage du comburant lors de son entrée. Cette application du principe d'amélioration d'une chaudière s'avère dans la pratique complexe et non optimale, et donc perfectible. Ainsi, le but de l'invention est de proposer une solution plus performante permettant l'amélioration de la performance d'une chaudière. 2 Plus précisément, un objet de l'invention consiste à proposer une solution permettant d'atteindre un mélange optimal bien maîtrisé d'un catalyseur dans un comburant pour obtenir une combustion optimale d'un combustible avec le comburant ainsi idéalement traité. A cet effet, l'invention repose sur un dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière, comprenant un premier sous-ensemble hydraulique comprenant un réservoir pour un catalyseur liquide, et un second sous-ensemble aéraulique comprenant un volume de mélange apte à être traversé par un flux de comburant, caractérisé en ce qu'il comprend un tube d'aspiration lié à une pompe d'aspiration s'étendant depuis le réservoir jusqu'à proximité du volume de mélange, et en ce qu'il comprend au moins un plateau disposé dans le volume de mélange de sorte à recevoir au moins une partie du catalyseur aspiré par le tube d'aspiration. Le dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière peut comprendre un boîtier d'entrée pour un comburant gazeux et une boîte de sortie pour le comburant traité, de sorte que le comburant gazeux s'écoule selon une direction sensiblement horizontale au sein du volume de mélange en évaporant et entraînant une partie du catalyseur. Le dispositif peut comprendre plusieurs plateaux sensiblement horizontaux et au moins partiellement superposés comprenant des déversoirs pour laisser s'écouler le catalyseur liquide par gravitation. Le dispositif peut comprendre un dispositif thermique et un dispositif de régulation de température, aptes à chauffer le catalyseur liquide stocké dans le réservoir et le maintenir à une température comprise dans une fourchette prédéfinie. Le réservoir peut comprendre une entrée pour le retour dans le réservoir du catalyseur liquide non consommé dans le volume de mélange. Le dispositif peut comprendre une jauge pour la mesure de la quantité de catalyseur restant dans le réservoir. Le dispositif peut comprendre au moins un volet permettant l'obstruction totale ou partielle de l'accès au volume de mélange par le comburant. Le dispositif peut comprendre au moins un élément intermédiaire disposé au-dessus d'un plateau, comprenant un élément poreux destiné à s'imprégner de catalyseur liquide. L'invention porte aussi sur un dispositif d'alimentation en comburant pour chaudière, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière tel que décrit précédemment. L'invention porte aussi sur une chaudière, un four ou un dispositif à combustion caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière tel que décrit précédemment. L'invention porte aussi sur un procédé d'amélioration de la performance d'une chaudière à l'aide d'un dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière tel que décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : Aspiration d'un catalyseur liquide depuis un réservoir et conduite dans un volume de mélange ; Disposition d'une fine couche de catalyseur liquide par gravitation sur au moins un plateau du volume de mélange ; Traversée du comburant de part en part du volume de mélange, provoquant l'évaporation d'au moins une partie du catalyseur liquide et son mélange avec le comburant. Le catalyseur liquide peut comprendre une concentration de méthyl cylcopentadienyle manganèse tricarbonyle supérieure ou égale à 900/0 du poids total du catalyseur. Le catalyseur liquide peut être chauffé dans son réservoir à une température comprise entre 10 et 50 °C. Le procédé peut comprendre une étape de régulation de la quantité de 10 catalyseur évaporé à partir de tout ou partie des paramètres suivants : Température du catalyseur liquide stocké dans le réservoir ; Vitesse d'aspiration du catalyseur liquide depuis le réservoir ; Positionnement d'un ou plusieurs volets d'obstruction du flux de comburant. Le procédé peut comprendre une étape préalable d'étalonnage du dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière en fonction de différentes configurations pour déterminer et mémoriser des tables de référence. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 représente une vue en perspective de dessus d'une machine d'amélioration de performance pour chaudière selon un mode de réalisation de l'invention. 30 La figure 2 représente une vue de face d'une coupe selon un plan médian longitudinal et vertical de la machine d'amélioration de performance pour chaudière selon le mode de réalisation de l'invention. 15 20 25 La figure 3 représente une vue de côté d'une coupe selon un plan longitudinal et transversal de la machine d'amélioration de performance pour chaudière selon le mode de réalisation de l'invention. La figure 4 représente la courbe de tension de vapeur du catalyseur utilisé par la machine d'amélioration de performance pour chaudière selon le mode de réalisation de l'invention. 10 Par la suite, nous désignerons par x l'axe longitudinal orienté selon la longueur de la machine, par y l'axe transversal horizontal perpendiculaire à l'axe longitudinal et par z l'axe vertical. L'invention s'applique généralement à tout dispositif de production ou de 15 destruction thermique à partir de combustibles à chaine carbonée, comme un four, une chaudière ou un incinérateur par exemple. Nous utiliserons par la suite le terme de chaudière pour une raison de simplification, de manière non limitative, le concept décrit, adapté pour une chaudière, étant naturellement adapté plus largement à tout dispositif intégrant une 20 combustion. La figure 1 représente donc un dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière, qui se présente sous la forme d'une machine comprenant un premier sous-ensemble hydraulique 1 dans sa partie inférieure et un 25 second sous-ensemble aéraulique 10 dans sa partie supérieure. Cette machine comprend de plus un boîtier d'admission 20 pour recevoir l'entrée d'un comburant gazeux, de l'air extérieur dans ce mode de réalisation, et une boîte de sortie 30 par laquelle s'échappe le comburant traité par la machine. Cette machine est disposée sur un support ou embase 50. 30 Le boîtier d'admission 20 comprend notamment un élément d'aspiration, optionnel car le système d'aspiration externe d'une chaudière peut suffire, un ou plusieurs filtre(s) et des joints d'étanchéité. La boîte de sortie 30 comprend une grille de débit d'air, des joints d'étanchéité, et une interface de sortie 31 circulaire de diamètre adapté pour la connexion d'une conduite vers une chambre de combustion d'une chaudière. Le premier sous-ensemble hydraulique 1, particulièrement visible sur les figures 2 et 3, comprend un réservoir 2 adapté pour le stockage d'un catalyseur sous forme liquide. Un dispositif thermique 3 de type thermoplongeur est positionné dans le bas du réservoir et remplit la fonction de chauffage du catalyseur stocké dans le réservoir, notamment pour le maintenir à une température sensiblement constante et optimale. Il est associé à un régulateur de température, non représenté. Il comprend un tube d'aspiration 4 dont l'extrémité 5 est positionnée vers le fond du réservoir 2, dans le but de conduire le catalyseur vers le second sous-ensemble qui sera décrit ci-dessous. Enfin, des accès 6 sont aménagés dans la partie supérieure du réservoir 2, permettant le retour du catalyseur non consommé. Le second sous-ensemble aéraulique 10 comprend un volume principal 11 dans lequel s'effectue le mélange du catalyseur et du comburant, qui le traverse dans sa direction longitudinale x en provenance du boîtier d'admission 20 jusqu'à la boîte de sortie 30. Il comprend d'abord dans sa partie haute une pompe d'aspiration 14, reliée au tube d'aspiration 4 mentionné précédemment de sorte d'aspirer la quantité souhaitée de catalyseur pour la déverser dans le volume principal 11. Le débit de catalyseur dans ce tube d'aspiration 4, assuré par la pompe d'aspiration 14, est choisi suffisamment important pour que le catalyseur n'ait pas le temps de se refroidir sensiblement lors de sa course de bas en haut dans le tube d'aspiration 4. D'autre part, ce tube d'aspiration 4 présente une faible section de sorte que sa surface d'échange est peu importante, ce qui minimise le refroidissement du catalyseur au sein du tube d'aspiration 4, notamment lors de sa traversée du flux de comburant. Finalement, l'agencement de conduite du catalyseur depuis son réservoir 2 jusque dans la partie haute de la machine est tel que la température du catalyseur entrant dans le second sous-ensemble 10 est peu sensible aux variations de température ambiante. Le volume de mélange 11 est conçu pour atteindre un haut niveau d'étanchéité et de résistance au souffle en cas de surpression. Il comprend une entrée supérieure 12 par laquelle pénètre le catalyseur liquide, conduit depuis le réservoir 2 par le tube d'aspiration 4 comme explicité ci-dessus. Il comprend ensuite plusieurs plateaux 13 sensiblement horizontaux et superposés, recevant une fine couche de catalyseur liquide provenant de l'entrée supérieure 12 et descendant par gravitation. Pour cela, les plateaux 13 sont équipé d'un ou plusieurs déversoirs 15 qui permettent au catalyseur liquide de s'écouler de haut en bas, jusqu'à atteindre tous les plateaux 13 par gravitation. Par ce biais, à chaque instant, une couche de catalyseur de très faible épaisseur se trouve sur chaque plateau 13. Le catalyseur liquide s'écoulant du plateau 13 le plus bas est redirigé vers le réservoir 2, par les accès 6 mentionnés précédemment. Selon ce mode de réalisation, des éléments intermédiaires 16, en forme de cylindres évaporatoires constitués de spirales métalliques entoilées de gaines de coton, s'étendent dans la direction longitudinale x du volume de mélange 11 en occupant tout l'espace compris entre les différents plateaux 13, de sorte que le catalyseur liquide s'écoule sur une grande partie de leurs surfaces entre les différents plateaux 13 en imprégnant leurs gaines de coton. En variante, ces éléments intermédiaires peuvent comprendre tout élément poreux, et ces derniers peuvent occuper tout le volume entre deux plateaux, jusqu'à venir en contact avec le catalyseur liquide reposant sur un plateau inférieur, pouvant même reposer sur un plateau. Par ce biais, le comburant qui traverse le volume de mélange 11 vient en contact avec une surface importante de catalyseur liquide sur toute la longueur du volume de mélange 11, ce qui entraîne une évaporation d'une grande quantité de catalyseur. En remarque, les éléments intermédiaires 16 créent de plus des turbulences dans l'écoulement de comburant, favorables à la production des vapeurs catalytiques. Ces dernières sont ensuite emportées et mélangées avec le comburant, lequel mélange, appelé comburant traité, sort par la boîte de sortie 30 de la machine sous une forme homogène. La surface de catalyseur liquide présent dans le volume de mélange est précisément définie par l'agencement choisi, notamment par les plateaux 13. Elle représente un facteur important pour définir la quantité de vapeurs catalytiques présentes au sein du comburant traité. De plus, la géométrie décrite ci-dessus induit un écoulement de comburant en fines lames entre les plateaux 13. Elle permet d'obtenir un écoulement avec une vitesse et un débit de passage bien connus et maîtrisés, ce qui est aussi important pour définir précisément la quantité de catalyseur évaporé et mélangé. Naturellement, cette surface de catalyseur dans le volume de mélange 11 est adaptable, en modifiant le nombre de plateaux par exemple, choisi à trois dans l'exemple illustré, ou la surface ou la forme de tout ou partie des plateaux utilisés, ainsi que la forme, le matériau et la surface des éléments intermédiaires 16, qui restent optionnels. Cela permet d'adapter facilement la capacité évaporatoire de la machine sans modifier grandement sa structure, et donc de l'adapter aux besoins d'une chaudière donnée à un instant donné. Plus généralement, d'autres architectures sont imaginables pour permettre la disposition d'une surface importante de catalyseur liquide répartie sur la longueur du volume de mélange, apte à un contact direct avec le flux de comburant. Cette surface importante s'étend de préférence dans la direction longitudinale, parallèlement au flux de comburant, pour favoriser l'évaporation et ne pas entraîner de perte de charge du flux de comburant. Ainsi, des variantes de réalisation du volume de mélange de la machine peuvent facilement se déduire des remarques précédentes. La solution retenue, qui présente l'avantage d'une évaporation particulièrement efficace du catalyseur au sein d'un comburant permet ainsi de réduire l'encombrement puisqu'un volume plus restreint suffit pour obtenir la quantité nécessaire de catalyseur. Cette solution reste compatible avec une utilisation en combinaison avec d'autres solutions existantes d'évaporation, comme le positionnement d'éléments poreux sensiblement verticaux depuis le réservoir pour la remontée par capillarité au sein du volume de mélange du catalyseur par exemple. Selon un aspect optionnel avantageux du mode de réalisation de l'invention, la quantité de catalyseur obtenu dans le comburant traité est réglable. Pour cela, des volets 17 orientables sont positionnés en entrée du volume de mélange 11, en amont de chaque plateau 13 : ils permettent de définir l'utilisation de un à trois plateaux dans le mode de réalisation représenté, et permettent donc de réguler le débit de comburant entrant dans le volume de mélange 11. Ces volets permettent plus globalement au dispositif de s'adapter au besoin d'une chaudière donnée à un instant donné mais aussi au dispositif de s'adapter à différentes chaudières de puissance différente. Ce mécanisme permet de maîtriser la quantité de catalyseur utilisée, en complément des caractéristiques déjà décrites plus haut. Le dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière comprend avantageusement une jauge pour connaître la quantité de catalyseur présent dans le réservoir, permettre un comptage horaire automatique ou semi-automatique de sa consommation, et permettre le déclenchement automatique d'une alerte lorsque le stock de catalyseur descend sous une valeur seuil prédéfinie. Le remplissage du réservoir 2 est fait à partir de fûts de réserve, par l'intermédiaire de la pompe 14 fonctionnant en sens inversé, ou par tout autre moyen, comme par la mise en pression par cartouche d'azote du catalyseur pour l'expulser des fûts vers le réservoir 2. Le dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière comprend ensuite des éléments matériel (hardware) et/ou logiciel (software), non représentés, qui permettent la mise en oeuvre d'un procédé d'amélioration de la performance de la combustion d'une chaudière à partir de la machine décrite précédemment, de manière automatique ou semi-automatique, par l'intermédiaire d'actionneurs électromécaniques. Un mode de réalisation d'un tel procédé va être détaillé par la suite. Le dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière décrit ci-dessus est destiné à un montage sur un dispositif d'alimentation en comburant d'une chaudière. Avantageusement, il peut être disposé en amont d'un système d'aspiration, par exemple à proximité de ventilateurs de soufflage ou sur des gaines de refoulement d'air de la chaudière via un piquage ad hoc. Il est ainsi disposé sur le parcours de tout ou partie du flux d'air généré par le dispositif d'alimentation en comburant de la chaudière, que ce soit par une force de dépression générée par une ventilation de soufflage ou par un ventilateur de refoulement. En remarque, il pourrait aussi être utilisé pour tout autre comburant que l'air. L'invention porte aussi sur un procédé d'amélioration de la performance de la combustion d'une chaudière, qui comprend la détermination de plusieurs paramètres du dispositif pour obtenir en sortie un mélange comprenant une quantité précise souhaitée de catalyseur dans le comburant. Notamment, selon une première étape, la température du catalyseur liquide utilisée est définie à une valeur souhaitée, qui permet de définir sa propriété d'évaporation tout en évitant d'avoir à préchauffer le comburant entrant. Ensuite, selon une seconde étape, le débit de catalyseur liquide introduit dans le volume de mélange ainsi que sa surface d'évaporation exploitée sont choisis, voire régulés, par exemple en ouvrant totalement ou partiellement ou en fermant le ou les volets 17 mentionnés précédemment, afin d'obtenir en sortie la quantité souhaitée de catalyseur. Selon une réalisation avantageuse, le procédé comprend une étape préalable d'étalonnage d'une machine en fonction de différentes configurations pour déterminer des tables ou abaques servant de référence. Ensuite, il comprend une étape de réglage d'une machine sur site en fonction de ces abaques. Le procédé comprend aussi une étape de gestion de la quantité de catalyseur consommée et de la quantité restant en stock. Il permet de 20 déterminer la nécessité de remplir le réservoir de manière anticipée. Ces étapes de procédé permettent d'exploiter le même dispositif pour des chaudières de puissance différente. 25 De plus, le procédé comprend optionnellement une étape supplémentaire de modification de la structure interne du volume de mélange du dispositif, comme la suppression des éléments intermédiaires 16 et/ou la modification des plateaux. 30 Avantageusement, ce procédé d'amélioration de la performance de la combustion d'une chaudière est mis en oeuvre avec un catalyseur de type 12 organométallique, et de préférence du méthyl cylcopentadienyle manganèse tricarbonyle (MMT). Une application très avantageuse consiste à utiliser un catalyseur comprenant une concentration en molécule de méthyl cylcopentadienyle manganèse tricarbonyle supérieure ou égale à 900/0 du poids total du catalyseur. La figure 4 représente la courbe de tension de vapeur d'un tel catalyseur, qui permet de montrer qu'à température constante, proche de 30° C, de préférence comprise entre 10 et 50 °C, la performance du procédé est optimale. Finalement, la solution décrite permet une production de vapeurs de MMT de quelques grammes par heure jusqu'à 300 grammes par heure, sans jamais atteindre le seuil de la pression de vapeur saturante qui pourrait induire une condensation des vapeurs. Cette solution atteint bien les objets recherchés et présente finalement les avantages suivants : - elle permet d'atteindre une augmentation du rendement de combustion d'une chaudière et une réduction de ses émissions polluantes ; elle permet dans le même temps de réaliser un ramonage chimique des chaudières et fours d'oxydation thermique. 20 La solution est applicable très largement, pour des chaudières de quelques MW jusqu'à plus de 150 MW, et plus largement pour tout appareil nécessitant une combustion, comme cela a été précisé précédemment. 25 REVENDICATIONS: 1. Dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière, comprenant un premier sous-ensemble hydraulique (1) comprenant un réservoir (2) pour un catalyseur liquide, et un second sous-ensemble aéraulique (10) comprenant un volume de mélange (11) apte à être traversé par un flux de comburant, caractérisé en ce qu'il comprend un tube d'aspiration (4) lié à une pompe d'aspiration (14) s'étendant depuis le réservoir (2) jusqu'à proximité du volume de mélange (11), et en ce qu'il comprend au moins un plateau (13) disposé dans le volume de mélange (11) de sorte à recevoir au moins une partie du catalyseur aspiré par le tube d'aspiration (4). 2. Dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier d'entrée (20) pour un comburant gazeux et une boîte de sortie (30) pour le comburant traité, de sorte que le comburant gazeux s'écoule selon une direction sensiblement horizontale au sein du volume de mélange (11) en évaporant et entraînant une partie du catalyseur. 3. Dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs plateaux (13) sensiblement horizontaux et au moins partiellement superposés comprenant des déversoirs (15) pour laisser s'écouler le catalyseur liquide par gravitation. 4. Dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif thermique (3) et un dispositif de régulation de température, aptes à chauffer le catalyseur liquide stocké dans leréservoir (2) et le maintenir à une température comprise dans une fourchette prédéfinie. 5. Dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (2) comprend une entrée (6) pour le retour dans le réservoir (2) du catalyseur liquide non consommé dans le volume de mélange (11). 6. Dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une jauge pour la mesure de la quantité de catalyseur restant dans le réservoir (2). 7. Dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un volet (17) permettant l'obstruction totale ou partielle de l'accès au volume de mélange (11) par le comburant. 8. Dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément intermédiaire (16) disposé au-dessus d'un plateau (13), comprenant un élément poreux destiné à s'imprégner de catalyseur liquide. 9. Dispositif d'alimentation en comburant pour chaudière, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications précédentes. 10.Chaudière, four ou incinérateur caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications 1 à 8. 11. Procédé d'amélioration de la performance d'une chaudière à l'aide d'un dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a. Aspiration d'un catalyseur liquide depuis un réservoir (2) et conduite dans un volume de mélange (11) ; b. Disposition d'une fine couche de catalyseur liquide par gravitation sur au moins un plateau (13) du volume de mélange (11) ; c. Traversée du comburant de part en part du volume de mélange (11), provoquant l'évaporation d'au moins une partie du catalyseur liquide et son mélange avec le comburant. 15 12. Procédé d'amélioration de la performance d'une chaudière selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le catalyseur liquide comprend une concentration de méthyl cylcopentadienyle manganèse tricarbonyle supérieure ou égale à 900/0 du poids total du catalyseur. 20 13. Procédé d'amélioration de la performance d'une chaudière selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le catalyseur liquide est chauffé dans son réservoir à une température comprise entre 10 et 50 °C. 14. Procédé d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation de la quantité de catalyseur évaporé à partir de tout ou partie des paramètres suivants : 30 a. Température du catalyseur liquide stocké dans le réservoir (2) ; 10 25b. Vitesse d'aspiration du catalyseur liquide depuis le réservoir (2) ; c. Positionnement d'un ou plusieurs volets (17) d'obstruction du flux de comburant. 15. Procédé d'amélioration de la performance d'une chaudière selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable d'étalonnage du dispositif d'amélioration de la performance d'une chaudière en fonction de différentes configurations pour déterminer et mémoriser des tables de référence.