Brevet FR3012206A1 — publié le 20150424

Incinérateur de gaz compact embarqué sur navire 1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des incinérateurs de gaz naturel, et, plus particulièrement, ceux installés sur un navire de transport de gaz naturel liquéfié (GNL) ou utilisant le GNL comme combustible. En effet, La plupart des navires de commerces utilisent, actuellement, du fuel lourd pour subvenir à leur besoin énergétique. Cependant, du fait à la fois : -de la législation de plus en plus contraignante; -de l'opinion publique; -et des évolutions respectives du cours du pétrole et du gaz naturel ; l'usage du GNL comme combustible pour les navires commence à se développer. Pour stocker à bord ce GNL, à une température de l'ordre de -160°C et sous une pression qui ne peut aller que jusqu'à quelques atmosphères, que ce soit comme combustible ou cargaison, l'état de l'art consiste à utiliser un, ou plusieurs, réservoirs isolés. Malgré l'isolation de ces réservoirs, les entrées thermiques venant de l'extérieur vers ce GNL engendrent une ébullition permanente qui fait progressivement monter la pression. Pour maintenir cette pression dans des limites acceptables pour la tenue mécanique du réservoir, la stratégie habituelle est de calculer la performance de l'isolation pour que le débit de vapeur correspondent à peu près aux besoins énergétiques du navire en marche normale : ces vapeurs sont donc valorisées en les envoyant des réservoirs vers la salle des machines du navire pour y être brulées dans les différents moteurs de propulsion ou de génération électrique du bord. Ceci étant dit, dans certaines conditions, le taux d'évaporation du GNL, peut dépasser les besoin énergétique du navire, en particulier lorsqu'il ne fait pas route et que ses moteurs de propulsion sont à l'arrêt. Si cette situation perdure suffisamment, la pression dans les réservoirs peut progressivement monter et approcher le maximum admissible : il est alors nécessaire d'évacuer ces vapeurs pour la faire chuter. En dernier recours pour éviter l'explosion des réservoirs, ceci peut se faire par une décharge à l'air libre de ce gaz, via des soupapes de sécurité. Mais une telle approche ne peut être acceptable que dans des cas extrême du fait des risques encourus (création d'un nuage de gaz potentiellement inflammable) ou de contraintes environnementales (émission de méthane vers l'atmosphère, gaz ayant un fort effet de serre)...Aussi, la réglementation tend à imposer que les navires soient équipés d'un incinérateur permettant de brûler ces vapeurs ce qui permet d'améliorer la sécurité ( rejet d'un gaz déjà brûlé, ininflammable) et réduire l'impact environnemental ( transformation du méthane en gaz carbonique ayant un effet de serre moindre). L'objet de la présente invention est donc de proposer une solution innovante d'incinérateur embarqué pour réaliser cette opération, permettant, en particulier d'améliorer significativement les performances de cet équipement en terme, entre autres, de coût, d'encombrement, de masse et de bruit. 2 Etat de la technique antérieure La figure 1 présente les principales caractéristiques de la technique d'incinérateur antérieure. Elle se compose principalement et typiquement d'un brûleur (1) situé dans une chambre de combustion (2), alimenté en air par un ou plusieurs ventilateurs (3) via une boite à air (4) et générant une flamme (5). Le débit d'air amené par les ventilateurs sert non seulement en (6) à alimenter la combustion mais, aussi, en (7), à diluer la flamme (5) pour la refroidir et garantir une température de sortie des gaz chauds (8) acceptable du point de vue de la sécurité (typiquement, les sociétés de classifications imposent moins de 535°C). Pour assurer plus efficacement le refroidissement par mélange des gaz brulés issus de la flamme (5) avec l'air de dilution (7) des dispositifs déflecteurs (9) sont éventuellement installés dans la partie supérieure de la chambre, mélangeant en (10) les différentes veines de gaz brulés et d'air de dilution et permettre, en sortie (8) , d'avoir une température homogène. Pour assurer avec facilité la maintenance du brûleur (1) par le personnel (11), une plateforme en caillebotis (12) est installée à l'entrée de la chambre de combustion (2). Enfin, pour palier au cas de la défaillance d'un des ventilateurs (3) les sociétés de classifications demandent la présence d'un ventilateur de secours (13), tous ces ventilateurs étant munis de clapet anti retour (14) pour éviter que l'air (15) injecté par les ventilateurs en fonctionnement (3) dans la boite à air (4) ne s'échappe par les ventilateurs qui ne sont pas en fonctionnement (13). Enfin, pour réduire le bruit émis à l'extérieur à partir du local (24) où se trouvent ces ventilateurs, l'air aspiré (16) passe au travers de dispositifs atténuateurs (17). Pour une meilleure compréhension de la technique antérieure le lecteur pourra se reporter utilement : - à la communication, faite en 2007, sous le titre "Gas combustion units: high performance technologies for safe disposai of excess boil off gas on the new generation of LNG carriers » à la conférence LNG 15 de Barcelone ; - au brevet Européen EP 1684013 A2, intitulé « Incinérateur de gaz installé sur un navire de transport de gaz liquéfié ou un terminal de gaz liquéfié ». On notera que, dans le cas de la technique antérieure, l'air, puis les gaz chauds, rencontrent de nombreux obstacles générateurs de pertes de charge tels que : -les dispositifs atténuateurs (17) ; - les clapets anti -retour (14) ; - la boite à air (4) ; - le caillebotis (12) ; -le brûleur (1) ; - et, enfin, les déflecteurs (9). Ceci, évidemment, requiert des ventilateurs (3) et (13) d'une puissance très significative, ce qui est facteur de coût, d'encombrement, et de bruit. De plus le brûleur (1) générant une flamme unique (5), l'installation de dispositifs, tels que les déflecteurs (9), peut s'avérer nécessaire pour assurer le brassage des gaz chauds avec l'air de dilution. Enfin un écran thermique (18), refroidi par l'air de dilution, est éventuellement nécessaire pour maintenir la température des parois de la chambre (2) dans des limites acceptables. Du point de vue de la hauteur, le fait que le brûleur (1) génère une flamme unique (5) on notera: - que la longueur de cette dernière est importante, ce qui dimensionne la hauteur (Hl) de la flamme au dessus du pont (19) où se trouve le brûleur (1) - qu'à cette hauteur (Hl) s'ajoute la hauteur (H2) nécessaire pour effectuer le mélange des gaz brûlés avec l'air de dilution. Par ailleurs, la hauteur (H3) au dessus du pont (20) du local ventilateur (24) est elle aussi 25 importante, à la fois dictée non seulement par la hauteur des ventilateurs (3) et (13) mais, aussi, par celle nécessaire par la boite à air (4) qui doit être suffisante haute pour que le flux d'air (15) injecté alimente de manière suffisamment homogène le brûleur (1). En ce qui concerne l'alimentation en gaz du brûleur (1), celle-ci se fait via une, ou plusieurs vannes (21), ce qui peut nécessiter un ventilateur supplémentaire (22) pour 30 éviter, en cas de fuite au niveau de ces vannes, toute accumulation dangereuse de gaz dans le local (23). L'objet de la présente invention est, donc, d'améliorer très sensiblement l'état de la technique antérieure en proposant une solution permettant à la fois : - d'optimiser la répartition des gaz chauds et leur mélange avec l'air de dilution et, donc, de réduire les dimensions de la chambre de combustion; - de réduire les pertes de charges du système et, donc, la puissance, le coût et le bruit des ventilateurs ; - enfin, de réduire le nombre de composants et de simplifier le système, ce qui permet d'en réduire le coût tout en en augmentant la fiabilité. 3 Exposé de l'invention On trouvera Figure 2 les principales caractéristiques de l'invention proposée. Elle est composée d'une cheminée de forme sensiblement cylindrique (25), à l'intérieur de laquelle se trouve un brûleur (26), entourée d'un écran thermique (27), lui aussi de forme sensiblement cylindrique. Un ventilateur unique (28) alimente la chambre de combustion en air de combustion et de dilution (29). Il est principalement constitué d'un moteur (30) et d'une soufflante (31), le diamètre de cette soufflante (31) étant sensiblement égal à celui de l'écran thermique (27). Les axes de la cheminée (25), du brûleur (26), de l'écran thermique (2è) et la soufflante (31) sont sensiblement concentriques. La paroi extérieure de 1"écran thermique (27) est refroidie par un courant d'air secondaire (32). Cet air secondaire est aspiré de manière passive, via des orifices (33) situés entre la base de la cheminée (25) et le pont (34) dès que le ventilateur (28) est mis en action, par effet d'entrainement des gaz (35) s'échappant de l'écran thermique (27), celui-ci étant d'une hauteur sensiblement inférieure à celle de la cheminée (25). Pour palier une éventuelle panne du ventilateur (28), un ventilateur de secours identique (36) est stocké sur le coté de ce dernier. Les deux ventilateurs étant montés sur un système de chariotage composé de roues (37).et de rails (38) fixés sur le pont (39) du local des ventilateurs. On comprendra aisément qu'en cas de panne du ventilateur (28), le ventilateur (36) peut donc être substitué au ventilateur (28) en décalant celui-ci sur le coté opposé en (40) et en déplaçant le ventilateur (36) en face de l'écran thermique (27). Un joint (41) évite les fuites d'air entre le ventilateur en service (28) et la base de l'écran thermique (27). De même, un joint (42), assure une étanchéité entre la base du ventilateur (28) et le conduit d'aspiration (43) via une ouverture circulaire (44) d'un diamètre sensiblement identique à celui de la soufflante (36), percée dans le pont (39). D'un point de vue mécanique, la cheminée (25) repose, via une série de supports (45), sur le pont (34), tandis que l'écran radiatif (27) repose sur le même pont, via des supports (46), ces supports étant de section réduite afin de laisser libre le passage (33) par où est 35 aspiré le courant d'air secondaire (32). Le brûleur (26) est alimenté en gaz via le jeu de vannes (47) placé sur le pont (34). Ces vannes (47) sont reliées au brûleur (26) via un élément souple (48) et une ouverture (49) percée dans l'écran radiatif (27). Enfin, un joint (50), combinés avec les joints (41) et (42), placé entre l'écran radiatif (27) et le pont (34), évite que le local (51), contenant les ventilateurs, soit en communication avec l'environnement du brûleur (26), pouvant potentiellement contenir du gaz. Si nécessaire, pour atténuer le bruit du ventilateur (28) vis-à-vis de l'extérieur, des dispositifs atténuateurs (52) peuvent être installé sur le passage l'air aspiré de combustion et de dilution venant de l'extérieur (53) Les figures 3a (coupe en élévation) et 3b (coupe horizontale) présentent plus en détail les caractéristiques du brûleur (26). Celui-ci est constitué d'une multitude de rampes (57) disposées sensiblement perpendiculairement au flux d'air et dont le nombre, la répartition et les longueurs sont ajustés de façon à distribuer le gaz de manière quasi uniforme sur l'ensemble de la veine d'air traversant l'écran thermique (27). La combustion a donc lieu sous la forme d'une multitude de flammes (55) réparties sur l'ensemble de la section. Ces rampes (57) sont disposées, de façon sensiblement radiale, et sont alimentés en gaz par une tuyauterie en forme de tore, ou fraction de tore (58), placée à l'intérieur de l'écran thermique (27), via des conduits (59). Outre une répartition optimisée de la flamme, cette configuration a l'avantage de réduire les pertes de charge créées par le brûleur, le tore (58) étant placé à la périphérie des rampes, dans une zone ou les vitesses d'écoulement sont plus faibles. Eventuellement, si la place nécessaire est disponible, les diamètres du tore (58) et de l'écran thermique (27) peuvent être sensiblement plus grands que celui de a soufflante (31) pour éviter que le tore soit directement dans le courant d'air. D'un point de vue thermique, on notera que du fait de cet arrangement, la distance entre les flammes (55) et la paroi interne de l'écran thermique (27) est au moins égale à celle occupée à la fois par le tore (58) et les conduits (59), ce qui réduit, d'une part, le flux radiatif, sur l'écran thermique et, d'autre part, facilite la création d'une couche d'air froid entre les flammes et ce même écran, facilitant le refroidissement de sa paroi interne. Cet effet, combiné avec le refroidissement de sa paroi externe assuré par le flux d'air (32) aspirée entre cet écran (27) et la cheminée (25). permet d'en réduire la température de fonctionnement, ouvrant la possibilité de le réaliser en un matériau non réfractaire. Alternativement, en particulier pour les incinérateurs de petite puissance, le tore (58) pourra être placé dans l'inter paroi existant entre l'écran thermique (27) et la cheminée (25), voire à l'extérieur de la cheminée, comme illustré dans les figures 4a) et 4b). De même, par soucis de simplification, voir figure 4c, l'arrivée d'air secondaire passant entre la cheminée (25) et l'écran thermique (27) peut être directement assurée par le ventilateur (28) et non être aspiré à partir de l'extérieur par les conduits (33). Enfin, si la puissance de l'incinérateur est suffisamment faible et le diamètre de la cheminée (25) est suffisamment grand pour que sa température de fonctionnement soit acceptable pour sa tenue mécanique, l'écran thermique (27) peut être éventuellement supprimé comme illustré dans la figure 4d. Les figure 5a et 5b et 5c, illustrent une variante de l'invention, si il est pertinent de réduire l'encombrement au sol des ventilateurs (28) et (36), où ceux-ci sont, alors, installés non pas à coté l'un de l'autre , mais l'un au dessus de l'autre, chacun d'entre eux étant monté dans un tiroir coulissant (66) dans une boite à air (67) qui a une section sensiblement carrée, ou s'inscrit le diamètre de la soufflante (31). La figure 5a montre la vue en coupe verticale de cette configuration, dans le cas ou le ventilateur en opération (28) est celui qui est le plus bas des deux. La figure 5b montre une section en vue de dessus du ventilateur (28) en opération, dont le tiroir (66) a été glissé à l'intérieur de la boite à air (67). Un joint ou un jeu réduit (68) placé sur le pourtour de la face avant du tiroir (66) assure, au niveau de ce ventilateur, une étanchéité entre la boite à air et la salle des ventilateurs (51). La figure 5c montre une section en vue de dessus du ventilateur (36) de secours, dont le tiroir (66) a été glissé à l'extérieur de la boite à air (67). Un joint ou un jeu réduit (69) placé sur le pourtour de la face arrière du tiroir (66) assure, au niveau de ce ventilateur, l'étanchéité entre la boite à air et la salle des ventilateurs (51). Par soucis de simplification, nous n'avons pas représenté sur ces figures les systèmes de chariotage assurant les mouvements des tiroirs (66) dont la définition est évidente pour un homme de l'art. On voir que, par cette disposition, on assure une continuité de la veine d'air ainsi que de 25 son étanchéité vis-à-vis du local (51). Les figures 6a) et 6b) présentent le détail d'une des rampes de brûleur (57). Elle est reliée par le conduit (59) au tore (58). Ce conduit supporte des déflecteurs (60) perforés d'orifices (61) par ou une partie de l'air peut entrer et se mélanger au gaz venant d'orifices (62) disposés sur la face supérieure du conduit (59), permettant d'amorcer la flamme. Le 30 gaz non brûlé dans cette zone s'échappe ensuite dans le sillage des déflecteurs (60) pour se mélanger avec l'air venant du ventilateur, ces déflecteurs (60), du fait de leur géométrie, qui forme une sorte de « V », agissant comme des dispositifs d'accroche de la flamme, du fait des turbulences qu'ils créent. On notera que l'axe médian de ce «V» présente un angle a par rapport à l'horizontale : cet angle étant identique à celui que fait l'air incident du fait de sa mise en rotation par la soufflante (31). Ainsi les déflecteurs (60) sont orientés dans le lit du « vent » du flux d'air incident ce qui évite : - un déséquilibre dans la formation de la flamme pouvant amener des échauffements locaux et une détérioration des déflecteurs ; - une perte de charge excessive au droit du brûleur (26), même si celui-ci est proche, pour 5 réduire la hauteur totale de l'installation, de la soufflante (31) du ventilateur (28) ; - d'avoir à installer entre la soufflante (31) et le brûleur (26) des dispositifs redressant le flux d'air, sources, à la fois, de coûts et de pertes de charge. Si nécessaire, les déflecteurs (60) peuvent être modulaires, comme on le voit sur la vue en élévation de la figure 6b, ce qui permet d'optimiser leur orientation le long du conduit 10 (59), en fonction de la variation radiale de l'angle a. En ce qui concerne, la disposition et l'alimentation des rampes (57) du brûleur (26), les figure 7a et 7b en présente une variante qui peut être pertinente pour les incinérateurs de petite capacité. Dans cette variante, les rampes (57) sont alimentées par le centre et non la périphérie, via un conduit coudé (70) et non un tore (48). C'est donc à ce conduit (70) que 15 sont rattachés les conduits (59) alimentant chacune des rampes (57). Les figures 8a et 8b montrent comment les opérations de maintenance et de contrôle du brûleur (26) ou de l'écran thermique (27) peuvent se faire. Pour ce faire, une plateforme temporaire (63) est placée sur le ventilateur de secours (36) puis celui-ci est placé en face de l'écran thermique (27), le ventilateur (28) étant déplacé sur le coté. Les opérateurs (65) 20 peuvent alors utiliser le trou d'homme (64) pour accéder à la plateforme (63) pour réaliser les opérations de contrôle et maintenance du brûleur (26) et de l'écran thermique (27) en toute sécurité. Nous allons maintenant expliquer plus en détail les avantages qu'apporte l'invention. En ce qui concerne les pertes de charge on notera que celles-ci sont très limitées par 25 rapport à l'art précédent : - il y a continuité de la section de passage de la veine d'air puis des gaz chauds, sans pertes de charges singulières significatives, autres que celles générés par le brûleur (26); - la soufflante (31) ayant un diamètre sensiblement égal à celui de l'écran thermique (27), sa vitesse de rotation peut être réduite, ce qui permet d'assurer le débit d'air nécessaire 30 avec un rendement élevé ; -la vitesse et la puissance du ventilateur (28) étant réduites, les dispositifs atténuateurs (52), générateurs de perte de charges, peuvent, eux aussi, être réduits, voire supprimés ; -la géométrie du conduit d'aspiration (42), libre de tout obstacle, peut être optimisée pour réduire les pertes de charge à l'aspiration du ventilateur (28); - du fait du principe de redondance du ventilateur (28) proposé, il n'y a pas besoin de clapets anti-retour (14) et de boite à air (4) ce qui réduit d'autant les pertes de charges et les coûts ; - la flamme (55) étant, dès sa formation, distribuée sur l'ensemble du flux d'air (29), on évite les pertes de charges supplémentaires créées par les déflecteurs (9) dans le haut de la 5 chambre de combustion (26), ceux-ci étant inutiles pour assurer le mélange des gaz brulés avec l'air de dilution; - la présence permanente dans la veine d'air d'un caillebotis (12), générateur de pertes de charge, pour assurer l'accès au brûleur est évitée ; - les vannes (47) étant placées à l'extérieur, il n'y a pas de risque d'accumulation de fuites 10 dangereuse dans le local (51) et une ventilation forcée (22) de ce local n'est pas nécessaire. Toutes ces réductions de pertes de charges, permettent d'adopter, en particulier, une technologie de ventilateur axial (28) au lieu de centrifuge (13), qui a l'avantage, non seulement d'être moins coûteuse qu'une technologie de ventilateur centrifuge, mais aussi, 15 de pouvoir être directement intégrée dans la veine d'air et, donc, d'être moins encombrante, en particulier en hauteur. En ce qui concerne l'encombrement, l'invention permet de réduire très sensiblement la hauteur totale du dispositif. A titre d'exemple, nous nous baserons sur les caractéristiques géométriques typiques d'un incinérateur d'une capacité de l'ordre de 5 tonnes / heure. 20 En effet dans l'art antérieur, la hauteur H1 de la salle des ventilateurs est de l'ordre de 6 m, ceci pour avoir une géométrie de boite à air (4) qui ne génère pas trop de pertes de charge et permet, combinée avec une hauteur supplémentaire H2, typiquement de l'ordre de un mètre, entre le haut de la boite à air (4) et la base du brûleur (1) d'alimenter celui-ci de manière suffisamment homogène, pour éviter une dissymétrie de la flamme (5). 25 La flamme (5), qui n'est pas distribuée sur l'ensemble de la section de la veine d'air a une forme très allongée, avec une hauteur H3 de l'ordre de 8 m entre le haut du brûleur (1) et le déflecteur (9). Enfin à cela s'ajoute la hauteur H4, de l'ordre de 5 m, nécessaire entre le déflecteur (9) et la sortie de la chambre (2) pour assurer le mélange final des gaz chaud avec l'air de dilution. Un incinérateur basé sur l'état de l'art antérieur a donc une hauteur 30 totale de l'ordre de 20 m. Dans le cas d'un incinérateur conçu suivant les principes de l'invention, le diamètre de la cheminée est typiquement de l'ordre de 5 m et la hauteur libre nécessaire H4 entre le bas du conduit (42) et l'entrée du ventilateur (28) est de l'ordre de 4 m. La hauteur H5 nécessaire pour les ventilateurs est de l'ordre de 3 m, tandis que la hauteur H6 entre le pont (34) et l'extrémité de l'écran thermique (27) protégeant la cheminée ((25) des flammes, moins hautes, (55) est de l'ordre de 5 m. A cela s'ajoute une hauteur H8 entre le haut de l'écran thermique (26) et le sommet de la cheminée (25), nécessaire pour parfaire le mélange entre les gaz brulés et l'air de dilution de l'ordre de 2 m. On voit ainsi qu'un incinérateur conçu suivant l'invention aura une hauteur totale de 5 l'ordre de 14 mètres au lieu de 20. 10 15 20 25 30 REVENDICATIONS1) Incinérateur de gaz naturel embarqué sur navire constitué d'une cheminée cylindrique (25) à l'intérieur de laquelle se trouve, en son centre, un brûleur (26) entouré d'un écran thermique (27) caractérisé en ce que: - l'air de combustion et de dilution nécessaire pour brûler le gaz naturel et diluer les gaz de combustion est fourni par un premier ventilateur axial (28), placé directement dessous et dans l'axe de la cheminée (25) et l'écran (27), dont le diamètre de la soufflante (31) est sensiblement égal à celui de l'écran thermique (27); - que la cheminée (25) et l'écran thermique (27) sont concentriques, la hauteur de ce dernier étant inférieure à celle de la cheminée, l'espace annulaire qu'ils délimitent étant d'un coté ouvert, dans sa partie supérieure, vers la cheminée (25) et les gaz chauds (35), de l'autre, dans sa partie inférieure, vers l'extérieur via des passages (33), permettant par simple effet d'aspiration, l'établissement d'un débit d'air secondaire (32) refroidissant la paroi extérieure de l'écran (27). - en cas de panne du premier ventilateur (28), celui-ci, se déplace sur le coté pour être remplacé par un deuxième ventilateur de secours (36) placé au dessus ou à coté du ventilateur (28), ces deux ventilateurs étant, pour ce faire, montés sur des roues (37); - le brûleur (26) est constitué d'une multiplicité de rampes (57) répartissant en une multitude de flammes (55) la combustion du gaz dans la partie centrale de l'écran thermique; - les rampes (57) sont alimentés en gaz soit, à leur périphérie, par une conduite de forme sensiblement torique (58); soit, par leur centre, par une conduite sensiblement coudée (70); - les rampes (57) sont constitués d'un conduit (59) et de déflecteurs (60) inclinés dans le lit du vent créé par la soufflante (31) du ventilateur (28); 2) Incinérateur de gaz suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'une plateforme amovible (63) est installée sur le ventilateur (36), puis celui-ci est glissé sous le brûleur (26) pour permettre un accès facile et sécurisé pour les opérations de maintenance. 3) Incinérateur de gaz suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le ventilateur (28) aspire l'air extérieur venant du conduit (44) via une ouverture sensiblement circulaire (44) dans le pont (39) qui supporte les ventilateurs (28) et (36). 4) Incinérateur de gaz suivant la revendication 1 caractérisé en ce que e les ventilateurs (28) et (36) sont placés l'un au dessus de l'autre, dans des tiroirs (66) coulissant de manière étanche dans une boite à air (67) placée sous la cheminée (25).