Brevet FR3159428A1 — publié le 20250822

La présente invention concerne un système de production d’énergie thermique par combustion de fer pour application au chauffage domestique ou de bâtiments industriels ou d’installations en zones reculées. Elle vise également un procédé de production d’énergie thermique mis en œuvre dans ce système. « Géométries de brûleurs à particules de fer pour application à la production de chaleur décarbonée » DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention concerne un système de production d’énergie thermique par combustion de fer pour application au chauffage domestique ou de bâtiments industriels ou d’installations en zones reculées. Elle vise également un procédé de production d’énergie thermique mis en œuvre dans ce système. ETAT DE LA TECHNIQUE La plupart des systèmes de chauffage actuels (chaudières à gaz naturel, propane, butane ou fioul) utilisent des carburants qui émettent du CO2. De plus, l’augmentation du coût actuel de l’énergie et du risque de pénuries liés aux dépendances énergétiques de nombreux pays dans le monde sont un motif pour la recherche d’une énergie alternative verte pour le chauffage résidentiel et professionnel. L’utilisation du bois pour le chauffage présente également un risque de déforestation important si une gestion responsable et durable des forêts n’est pas adoptée. Dans ce contexte, la combustion de particules métalliques, comme détaillé dans l’article « Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power », Applied Energy, 2015 par J-F Bergthorson est une solution évoquée pour produire une combustion sans émission de CO2, pour tous types d’application de production d’énergie. Les carburants métalliques (magnésium, aluminium, fer) présentent l’avantage de ne générer, lors de leur combustion, que des oxydes métalliques solides facilement récupérables dans un système de combustion. Ces derniers peuvent être ensuite recyclés grâce à une énergie renouvelable par un procédé d’électrolyse à anode inerte ou de réduction thermochimique zéro CO2 par voie solaire. La combustion de particules métalliques est connue historiquement dans des applications de propulsion aérospatiale ou encore des documents US8100095B2 pour des applications automobiles à combustion interne ou externe. Dans le document WO2023080789A1, il est revendiqué un design de brûleur avec une expansion vers la chambre de combustion, des entrées tubulaires tangentielles pour l’étagement en air et la stabilisation de la flamme ainsi qu’une entrée d’air et de particules sans effet aérodynamique. Il existe néanmoins des design qui permettent plus de flexibilité en fonctionnement sur l’intensité du swirl, mais également de permettre aux particules d’augmenter leur temps de résidence, ce qui dans le cas du fer est particulièrement important étant donné les temps de combustion très élevés en comparaison du gaz ou d’autres particules métalliques (aluminium ou magnésium). Le but principal de l’invention est de proposer différentes configurations de brûleurs pouvant permettre de stabiliser des flammes de particules de fer pour des applications liées à la décarbonation de l’industrie. Les géométries de brûleur de ladite invention comprennent 3 zones primordiales à l’établissement d’une flamme de fer auto-entretenue. L’objectif étant d’accélérer l’auto-allumage des particules de fer dans la deuxième zone, en limitant l’utilisation d’un gaz combustible supplémentaire pour entretenir la flamme de particules de fer. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles FIG. 1 est une représentation schématique du brûleur comprenant les 3 zones nécessaires à la stabilisation de la flamme de fer. FIG. 2 est une représentation schématique du brûleur avec une entrée centrale d’air et de particules swirlée, et de deux entrées coaxiales swirlées (turbines statiques représentées par des croix). FIG. 3 est une représentation schématique du brûleur avec une entrée d’air et de particules centrale distribuée au bout du tube par un ensemble de trous placés dans la circonférence afin d’injecter les particules radialement, et deux entrées coaxiales swirlées (turbines statiques représentées par des croix). FIG. 4 est une représentation schématique du brûleur avec une entrée d’air et de particules avec au bout du tube un obstacle conique qui permet de dévier l’aérosol radialement vers le swirl coaxial, et de deux entrées coaxiales swirlées. FIG. 5 est une représentation schématique du brûleur avec une entrée d’air et de particules, et de trois entrées coaxiales swirlées. FIG. 6 est une représentation schématique du brûleur avec une entrée d’air et de particules, et deux entrées coaxiales swirlées, et des entrées coaxiales supplémentaires perpendiculaires aux parois de la chambre de combustion. FIG. 7 est une représentation schématique du brûleur avec une entrée d’air et de particules, et deux entrées coaxiales swirlées, et des entrées coaxiales supplémentaires proches des parois de la chambre de combustion. DESCRIPTION DETAILLEE S1 est un brûleur à particules de fer composé de 3 zones principales : une zone d’injection de la poudre 0 et du comburant, une zone d’allumage 1 et une zone de combustion 2 pour la récupération de chaleur. Sur la première zone, la suspension comprenant de la poudre métallique et de l’oxygène 0b peut être accompagnée d’un écoulement co-axial swirlé 0a afin d’entamer la rotation des particules pour maximiser leur temps de séjour. Dans cette même zone, un mélange combustible constitué d’un gaz inflammable peut être injecté dans une troisième entrée coaxiale entre l’injection centrale de particules et l’entrée swirlée 0a (sous forme d’une entrée annulaire), accompagné d’un comburant, ou, au choix, dans l’injection centrale avec la suspension de particules 0b. Proche de la transition avec la deuxième zone (1), des électrodes d’allumage peuvent être disposées afin d’allumer l’ensemble combustible et d’initier le préchauffage des particules de fer entrant dans la zone d’allumage. Les figures suivantes présentent des géométries alternatives à cette zone d’injection. Dans la zone d’allumage (1), l’idée est de préchauffer les particules jusqu’à leur température d’auto-allumage (en initiant les premières réactions exothermiques de surface entre l’oxygène et le fer) pour qu’elles atteignent la troisième zone (2) en combustion hétérogène quasi auto-entretenue et libèrent la chaleur de réaction dans cette zone où sont disposés des tubes en périphérie (ou tout autre moyen d’échange thermique) transportant le fluide caloporteur se dirigeant vers un équipement utilisateur. A cet effet, dans cette zone (1), un matériau isolant réfractaire 1c permet de limiter les pertes de chaleur vers l’extérieur afin de concentrer la chaleur sur le préchauffage des particules afin d’élever rapidement leur température et de favoriser leur auto-allumage (diminuant le besoin en gaz combustible supplémentaire). En complément, un revêtement réfléchissant sur la paroi réfractaire permet de concentrer le rayonnement sur les particules afin d’accélérer leur montée en température. En effet, une particularité de la combustion solide sont les fortes pertes par rayonnement thermique du combustible qui peuvent être exploitées pour favoriser l’allumage. En supplément, au sein de la deuxième zone (1), disposer un deuxième étage 1a et 1b (potentiellement avec plusieurs entrées) constitué d’un gaz comprenant de l’oxygène (injecté tangentiellement) permet d’étager la richesse dans la zone d’allumage, en créant progressivement un mélange proche sub-stœchiométrique (voire bien plus pauvre, suivant la richesse visée) le long de cette zone afin de maximiser la température de réaction et favoriser la stabilisation de la flamme qui y prendra racine. S2 est un brûleur à particules métalliques composé d’un tube cylindrique central composé d’une turbine statique proche de sa sortie, et transportant, en partie, un aérosol de particules métalliques et débouchant sur une chambre de combustion. Co-axialement à ce tube, deux entrées annulaires possédant des turbines statiques permettent de faire déboucher deux écoulements d’air “swirlés” dans la chambre de combustion afin de créer des zones de recirculation et de cisaillement afin de stabiliser la flamme métalliques (le but étant d’obtenir des zones de faible vitesse d’écoulement afin de correspondre à la vitesse de flamme et la maintenir quasi stationnaire). Des configurations à une ou trois entrées annulaires swirlées sont aussi possibles. L’intérêt d’ajouter une turbine statique dans le tube centrale transportant l’écoulement de particules métallique et de permettre aux particules d’avoir une trajectoire hélicoïdale en sortie du brûleur et de rallonger leur temps de séjour dans la zone de flamme afin de maximiser le rendement de combustion en minimisant la longueur de chambre. Il est possible d’avoir un système qui permet électro-mécaniquement de faire tourner les turbines chacune autour de leur axe de symétrie, et potentiellement un refroidissement autour des ailettes par une double parois dans le tube central. Ces deux éléments permettent respectivement de faire varier l’intensité du swirl (en augmentant l’angle de déviation tangentielle de l’écoulement), et de limiter la chauffe des turbines pour minimiser les risque de dépôts de particules par fusion ou frittage. S3 est un brûleur à particules métalliques composé d’un tube cylindrique central composé d’un embout non débouchant axialement mais débouchant radialement à l’aide d’un ensemble de perforations à la circonférence du tube, et transportant, en partie, un aérosol de particules métalliques et débouchant sur une chambre de combustion. Coaxialement à ce tube, deux entrées annulaires possédant des turbines statiques permettent de faire déboucher deux écoulements d’air “swirlés” dans la chambre de combustion afin de créer des zones de recirculation et de cisaillement afin de stabiliser la flamme métalliques (le but étant d’obtenir des zones de faible vitesse d’écoulement afin de correspondre à la vitesse de flamme et la maintenir quasi stationnaire). Des configurations à une ou trois entrées annulaires swirlées sont aussi possibles. L’intérêt d’ajouter un embout débouchant radialement au bout du tube centrale transportant l’écoulement de particules métallique et de permettre aux particules d’être dirigées vers l’écoulement coaxial swirlé et d’avoir ainsi une trajectoire hélicoïdale en sortie du brûleur et de rallonger leur temps de séjour dans la zone de flamme afin de maximiser le rendement de combustion en minimisant la longueur de chambre. Il est possible d’avoir un refroidissement autour des trous au bout du tube par une double parois où circule de l’eau. Cet élément permet de minimiser les risques de dépôts de particules par fusion ou frittage qui pourraient boucher la sortie et affecter le rendement. S4 est un brûleur à particules métalliques composé d’un tube cylindrique central composé à sa sortie d’un obstacle pointu (pointe orientée vers la sortie du tube) relié par des barres au tube central. L’objectif est de dévier radialement les particules afin de les diriger vers l’écoulement coaxial swirlé et leur permettre d’avoir ainsi une trajectoire hélicoïdale en sortie du brûleur et de rallonger leur temps de séjour dans la zone de flamme afin de maximiser le rendement de combustion en minimisant la longueur de chambre. Coaxialement à ce tube, deux entrées annulaires possédant des turbines statiques permettent de faire déboucher deux écoulements d’air “swirlés” dans la chambre de combustion afin de créer des zones de recirculation et de cisaillement afin de stabiliser la flamme métalliques (le but étant d’obtenir des zones de faible vitesse d’écoulement afin de correspondre à la vitesse de flamme et la maintenir quasi stationnaire). Des configurations à une ou trois entrées annulaires swirlées sont aussi possibles. Il est possible d’avoir un refroidissement au niveau de l’obstacle pointu par un circuit d’eau dans la double parois qui traverse les fixations de l’obstacle et le refroidit. Cet élément permet de minimiser les risques de dépôts de particules par fusion ou frittage qui pourraient boucher la sortie et affecter le rendement. S5 est un brûleur à particules métalliques composé d’un tube cylindrique central transportant, en partie, un aérosol de particules métalliques et débouchant sur une chambre de combustion. Coaxialement à ce tube, trois entrées annulaires possédant des turbines statiques permettent de faire déboucher deux écoulements d’air “swirlés” dans la chambre de combustion afin de créer des zones de recirculation et de cisaillement afin de stabiliser la flamme métalliques (le but étant d’obtenir des zones de faible vitesse d’écoulement afin de correspondre à la vitesse de flamme et la maintenir quasi stationnaire). S6 est un brûleur à particules métalliques composé d’un tube cylindrique central transportant, en partie, un aérosol de particules métalliques et débouchant sur une chambre de combustion. Coaxialement à ce tube, deux entrées annulaires possédant des turbines statiques permettent de faire déboucher deux écoulements d’air “swirlés” dans la chambre de combustion afin de créer des zones de recirculation et de cisaillement afin de stabiliser la flamme métalliques (le but étant d’obtenir des zones de faible vitesse d’écoulement afin de correspondre à la vitesse de flamme et la maintenir quasi stationnaire). Des entrées supplémentaires d’air perpendiculaire à l’axe du brûleur et proches de la paroi de la chambre de combustion permettent d’empêcher les dépôts de poudre. Cet ajout est optionnel. S7 est un brûleur à particules métalliques composé d’un tube cylindrique central transportant, en partie, un aérosol de particules métalliques et débouchant sur une chambre de combustion. Coaxialement à ce tube, deux entrées annulaires possédant des turbines statiques permettent de faire déboucher deux écoulements d’air “swirlés” dans la chambre de combustion afin de créer des zones de recirculation et de cisaillement afin de stabiliser la flamme métalliques (le but étant d’obtenir des zones de faible vitesse d’écoulement afin de correspondre à la vitesse de flamme et la maintenir quasi stationnaire). Des entrées supplémentaires d’air parallèles à l’axe du brûleur et proches de la paroi de la chambre de combustion permettent d’empêcher les dépôts de poudre. Cet ajout est optionnel.