FR3145967A3

FR3145967A3 - Système et procédé de production d’énergie thermique utilisant de la poudre métallique comme combustible

Info

Publication number: FR3145967A3
Application number: FR2401662A
Authority: FR
Inventors: Driss LARAQUI
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-02-20
Filing date: 2024-02-20
Publication date: 2024-08-23
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: FR3145968A1; FR3145967B3; WO2024175598A1

Abstract

Système (S1) pour produire de l’énergie thermique à partir d’une combustion de particules métalliques, comprenant un brûleur de particules métalliques dans une chambre de combustion (4), des moyens (100) pour injecter des particules métalliques dans lesdits moyens brûleurs, des moyens (5,6) d’admission d’air de façon à constituer un pré-mélange d’air et de particules métalliques, des moyens pour capturer les particules oxydées dans les gaz d’échappement, en aval ou combinés à des premiers moyens d’échange thermique, un échangeur thermique (7) entre un fluide de transfert et la chambre de combustion (4), pour transférer une partie de l’énergie thermique de combustion dans un équipement utilisateur (13). Ce système comprend en outre une boucle (20) de recirculation d’une première fraction (22) des gaz d’échappement issus de la chambre de combustion (4), ayant une entrée de prélèvement de gaz en aval de la chambre de combustion (4) et une sortie d’injection de gaz en amont des moyens brûleurs (3). Voir Figure 1

Description

Système et procédé de production d’énergie thermique utilisant de la poudre métallique comme combustible

DOMAINE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un système de production d’énergie thermique par combustion de métaux, notamment pour application au chauffage domestique ou de bâtiments industriels ou d’installations en zones reculées, ainsi que pour des applications de production de chaleur industrielle. 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 ainsi que pour des équipements nécessitant de la chaleur industrielle. 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 WO2023028697A1, la solution proposée ne permet pas de réduire les émissions d’oxydes de fer nanométriques car la concentration en oxygène n’est pas réglable, or cette concentration est critique pour minimiser ces émissions et optimiser le rendement énergétique ou de matière global du cycle métallique [Stereoscopic high-speed imaging of iron microexplosions and nanoparticle-release, Li et al., Vol. 29, Optics Express, 2021]. En effet, la masse de nanoparticules produite implique de devoir dépenser de l’énergie pour réformer les particules microniques à postériori afin de reproduire le combustible initial.

De plus, les pertes en masses à l’échappement liées à ces émissions de nanoparticules influencent le nombre de cycles possibles avec la même quantité de matière. Récupérer 99% de la masse d’oxydes au lieu de 99,9% réduit d’un facteur 10 le nombre de fois que la même masse de fer peut être brûlée et recyclée.

Le but principal de l’invention est de proposer une solution à la diminution des émissions de nanoparticules d’oxydes. Un autre but de l’invention est de faciliter l’allumage de la flamme par rapport à l’état de la technique exposé dans le document précité qui divulgue un allumage de la flamme grâce à un pré-mélange gaz/particules dans de l’air.

Cet objectif est atteint avec un système pour produire de l’énergie thermique à partir d’une combustion de particules métalliques, comprenant :

des moyens pour brûler des particules métalliques dans une chambre de combustion, comprenant un système d’allumage prévu pour générer une flamme pilote,
des moyens pour injecter des particules métalliques dans lesdits moyens brûleurs,
des moyens d’admission de l’air à injecter dans les moyens brûleurs de façon à constituer un pré-mélange d’air et de particules métalliques, comprenant des moyens ventilateurs,
des moyens pour capturer les particules oxydées dans les gaz d’échappement, en aval ou combinés à des premiers moyens d’échange thermique,
des premiers moyens d’échange thermique entre un fluide de transfert et la chambre de combustion, ledit fluide de transfert étant prévu pour être injecté dans lesdits moyens d’échange thermique via des moyens de pompe et pour transférer une partie de l’énergie thermique de combustion dans un équipement utilisateur,

caractérisé en ce qu’il comprend en outre une boucle de recirculation d’une première fraction des gaz d’échappement issus de la chambre de combustion, ayant une entrée de prélèvement de gaz en aval de la chambre de combustion et une sortie d’injection de gaz en amont des moyens brûleurs.

Dans un premier mode de réalisation, la sortie de réinjection de la boucle de recirculation est disposée en aval des moyens d’admission d’air, et plus particulièrement entre les moyens d’injection des particules métalliques et les moyens brûleurs.

Dans un second mode de réalisation, la sortie de réinjection de la boucle de recirculation est disposée en amont des moyens d’admission d’air.

Les moyens d’admission d’air peuvent en outre avantageusement comprendre des moyens supplémentaires de réglage du débit d’admission d’air.

Le système de production selon l’invention peut en outre comprendre des moyens ventilateurs pour extraire les gaz d’échappement en aval des moyens de capture.

La boucle de recirculation peut avantageusement comprendre des moyens de réglage du débit de recirculation, ainsi que des moyens ventilateurs.

Dans une version particulière de l’invention, Le système de production selon l’invention peut en outre comprendre des moyens préchauffeurs de l’air d’admission en amont de son injection dans les moyens brûleurs, ces moyens préchauffeurs comprenant des seconds moyens d’échange thermique entre une seconde fraction des gaz d’échappement issus de la chambre de combustion et de l’air d’admission.

Les premiers moyens d’échange thermique peuvent avantageusement comprendre une enceinte entourant la chambre de combustion et agencée pour y faire circuler le fluide de transfert. Cette enceinte d’échange thermique peut aussi entourer les moyens de filtrage.

Dans une première famille d’applications du système de production selon l’invention, le fluide de transfert est de l’eau injectée dans les premiers moyens d’échange thermique au moyen d’une pompe à eau. Ce système peut être mis en œuvre dans une installation de chauffage central d’un local ou de chauffage d’eau sanitaire.

Dans une seconde famille d’applications du système de production selon l’invention, le fluide de transfert est de l’air injecté dans les seconds moyens d’échange thermique au moyen de moyens ventilateurs. Ce système peut être mis en œuvre dans une installation de chauffage de l’air d’un local ou dans une installation de séchage d’un produit humide, cette installation comprenant un tambour de séchage prévu (i) pour recevoir en entrée d’une part de l’air chaud provenant des seconds moyens d’échange thermique et d’autre part du produit humide provenant d’une unité de stockage de produit humide et (ii) pour délivrer en sortie du produit séché dans une unité de récupération et de l’air de séchage refroidi.

Dans une troisième famille d’application du système de production selon l’invention, le fluide de transfert est de la vapeur d’eau injectée dans les seconds moyens d’échange thermique au moyen d’une pompe à vapeur, et le système de production comprend en outre une boucle de recirculation d’air prévue pour recevoir en entrée de la vapeur refroidie issue de l’équipement utilisateur et l‘injecter en entrée de ladite pompe à vapeur. Le système de production selon l’invention peut en outre comprendre un surplus de vapeur dans la boucle de recirculation de vapeur et être mis en œuvre dans une installation de séchage d’un produit humide ou dans un système industriel consommant de la chaleur transportée par vapeur d’eau.

Dans une quatrième famille d’applications de l’invention, le fluide est diphasique (i) sous une forme liquide en amont des premiers moyens d’échange thermique et (ii) sous une forme vapeur en aval des premiers moyens d’échange thermique et en entrée de l’équipement utilisateur, et le système de production selon l’invention comprend en outre des moyens pour condenser la vapeur refroidie issue de l’équipement utilisateur et l’injecter sous forme liquide dans les moyens de pompe.

Les moyens de condensation coopèrent avec des moyens pour récupérer de l’énergie thermique lors de la condensation à des fins de valorisation de la chaleur fatale issue de la conversion d’énergie. L’équipement utilisateur peut comprendre une turbine à vapeur à haute pression entraînant une génératrice d’électricité.

Suivant un autre aspect de l’invention, il est proposé un procédé pour produire de l’énergie thermique à partir d’une combustion de particules métalliques, mis en œuvre dans le système de production selon l’invention, ce procédé comprenant les étapes suivantes :

mélanger de l’air issu d’une admission d’air et des particules métalliques issues d’une injection de particules métalliques,
injecter le mélange d’air et de particules métalliques dans un brûleur,
brûler ce mélange dans une chambre de combustion, conduisant à une production de chaleur et de gaz d’échappement,
échanger la chaleur ainsi produite, via un fluide de transfert, dans un équipement utilisateur,
capturer, à partir des gaz d’échappement, des particules oxydées en aval du brûleur,

caractérisé en ce qu’il comprend en outre une recirculation d’une première fraction des gaz d’échappement, ladite recirculation comprenant un prélèvement en aval de la chambre de combustion et une injection de ladite première fraction de gaz d’échappement en amont des moyens brûleurs.

L’injection de gaz d’échappement peut être effectuée en aval d’une injection des particules métalliques, ou en amont de l’admission d’air.

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

est une représentation schématique du système de chauffage de l’eau d’une habitation (sanitaire et/ou chauffage).

est une représentation schématique du système de chauffage de l’eau d’une habitation (sanitaire et/ou chauffage) avec une grande boucle de recirculation des gaz d’échappement.

est une représentation schématique du système de chauffage de l’air d’une habitation.

est une représentation schématique du système de séchage indirect à air chaud de produits humides dans la chimie, la construction etc.

est une représentation schématique du système de séchage indirect en boucle fermée à vapeur chauffée de produits humides dans la chimie, la construction etc.

est une représentation schématique du système de génération de vapeur pour l’industrie (brasserie etc.).

est une représentation schématique du système de génération d’électricité par un cycle de Rankine (à vapeur d’eau ou liquide organique appelé ORC).

est une représentation schématique du système de cogénération de chaleur et d’électricité par un cycle de Rankine et un récupérateur thermique placé au niveau du condenseur pour valoriser la chaleur fatale et maximiser le rendement total.

DESCRIPTION DETAILLEE

On va maintenant décrire, en référence aux figures précitées, plusieurs exemples de réalisation de systèmes de production d’énergies selon l’invention. Il est à noter que les composants et modules communs aux différents exemples illustrés ont des références communes.

En référence à la , un système de production d’énergie thermique de type chaudière/chaufferie S1 comprend un injecteur 100 de particules métalliques, un brûleur 3 de particules métalliques à brûler dans une chambre de combustion 4 à volume fixe, la chambre de combustion 4 étant reliée à un conduit 20 d’aspiration d’une fraction 22 gaz d’échappement, qui est une composante d’une boucle de recirculation 20 dont la sortie de réinjection est disposée en aval de l’injecteur de particules 100 et en amont de l’entrée du brûleur 3. L’autre fraction 23 des gaz d’échappement transite à travers un échangeur thermique 1 pour réchauffer l’air d’admission et est extrait par action d’un ventilateur d’extraction 11.

Les gaz d’échappement sont composés d’oxydes métalliques et d’azote (oxydes de magnésium, de fer ou d’aluminium suivant lequel des trois combustibles est utilisé), et traversent un système de filtration 8 puis un bloc 1 de récupération de chaleur.

Il est à noter que ce système de filtration et ce bloc de récupération de chaleur 1 peuvent être imbriqués ou en cascade.

L’injecteur de particules métalliques 100 peut se présenter sous la forme d’un générateur d’aérosol par fluidisation qui injecte les particules dans un écoulement d’air avec l’aide d’un système venturi. Il est possible également d’utiliser une injection par gravité des particules grâce à un entonnoir vibrant (ou non) sur une conduite d’air, l’ajout d’un léger écoulement de fluidisation à l’entrée de l’entonnoir permettant d’éviter le bouchage de la sortie. Une autre possibilité consiste à utiliser une vis sans fin, dont le diamètre et la vitesse de rotation permette de contrôler la précision et le débit d’injection de poudre dans une conduite d’air réceptionnant cette dernière.

Le brûleur métallique 4 peut être réalisé à l’aide d’un «swirler» (tourbillonneur d’air) qui permet d’augmenter le débit d’injection d’air sans se soucier du risque de soufflage de la flamme pilote générée par un système d’allumage 2. Le principe est d’avoir une partie de l’écoulement d’air injecté axialement, et une autre partie injectée tangentiellement à l’aide de tubes tangentiels ou de turbines statiques, afin de créer des zones de cisaillement et de recirculation vers l’intérieur du brûleur 3 (effet de dépression au sein du tourbillon généré par l’écoulement centrifuge) et de faciliter la stabilisation de la flamme. En effet, ce mécanisme de stabilisation aérodynamique permet de créer des zones dans l’écoulement où les vitesses sont suffisamment basses pour être proches de celles des flammes métalliques assurant ainsi un accrochage de la flamme sur le brûleur. Ce mécanisme est d’autant plus important que la charge en air augmente et que le carburant concerné à des vitesses de flammes relativement basses. Le réglage de l’intensité du « swirl » permet de gérer la taille de la flamme et sa morphologie globale.

Afin de réaliser une stabilisation continue de la flamme métallique, dans le cadre de l’utilisation de poudre de fer uniquement, il est possible de préchauffer l’air de combustion qui entre dans le système. Afin de réduire l’utilisation de gaz naturel d’une flamme pilote qui permet de compléter la chaleur libérée par unité de volume lors de la combustion de fer et faciliter son allumage, il peut être intéressant d’ajouter un bloc de préchauffage 1 de l’air d’admission grâce à la récupération de la chaleur fatale à l’échappement du système. La flamme de fer a en effet plus de difficulté à être stabilisée que celles de magnésium ou d’aluminium, du fait de son faible de taux de réaction lié à sa combustion en mode hétérogène et à la couche d’oxydes autour des particules qui réduisent fortement le taux de dégagement de chaleur et donc la température de réaction.

Ceci pénalise la stabilisation de la flamme qui se voit ainsi perturbée par les pertes par convection et rayonnement. L’apport de chaleur par l’intermédiaire de celle contenue dans les gaz d’échappement permet ainsi d’augmenter le rendement énergétique global, et de réduire la quantité de gaz de la flamme pilote de gaz et donc des émissions de CO2.

Le système de préchauffage de l’admission se compose d’un échangeur gaz-gaz 1 qui récupère, dans le circuit principal d’échappement, les calories fatales pour les transférer dans un circuit secondaire (tube en serpentin, ou toute géométrie permettant de maximiser la surface d’échange comme des échangeurs à plaques) à l’air d’admission aspirée par une ventilation et qui se dirige vers le brûleur pour l’alimentation en comburant.

La flamme pilote peut se présenter sous la forme d’un injecteur à méthane 2 (ou propane ou butane) placé dans le sens de l’écoulement axial de fer et d’air, qui génère une flamme de diffusion, ou sous la forme d’une flamme hybride méthane/fer/air prémélangée grâce à l’ajout de méthane dans la conduite axiale transportant les particules dans l’air. Une étincelle activée par un actionneur à distance peut permettre d’allumer la flamme pilote et permettre la stabilisation ainsi de la flamme de fer. Dans le cas de l’aluminium ou du magnésium, cette flamme pilote peut être éteinte dès la stabilisation réalisée grâce à leur combustion en phase homogène haute température qui facilite l'auto entretien de la flamme.

Le système de combustion est également optimisé par l’ajout d’une recirculation des gaz d’échappement 20, constitué en grande partie d’azote, par un circuit secondaire pour réguler le pourcentage en oxygène du mélange autour des particules de fer.

Ce circuit secondaire de recirculation 20 comprend un dispositif 9 de ventilation d’extraction des gaz d’échappement et un papillon commandé 10 de réglage du débit de recirculation.

Une forte concentration en oxygène, de l’ordre de celle de l’air ambiant, peut augmenter localement le taux de réaction et donc la température des particules les amenant localement au-dessus de la température d’ébullition du fer (3134 K) augmentant le risque de micro-explosions des particules (en fonction de la température et de la rapidité d’expansion des gaz formés au sein de la particule) générant au final des nanoparticules d’oxydes très difficiles à filtrer et à régénérer vers le fer pur à la granulométrie micronique [Stereoscopic high-speed imaging of iron microexplosions and nanoparticle-release, Li et al., Vol. 29, Optics Express, 2021].

Ceci est problématique dans le cadre d’une utilisation du fer en tant que carburant circulaire. Réaliser une recirculation des gaz d’échappement permettant d’abaisser la concentration en oxygène jusqu’à 14% permet de réduire fortement l’apparition de nuages de nanoparticules d’oxydes par la réduction de la température de réaction et donc de celle des particules. Cette dernière entraîne une diminution forte la pression de vapeur saturante du métal réduisant ainsi fortement son évaporation [Critical temperature for nanoparticle cloud formation during combustion of single micron-sized iron particle, Ning et al., Combustion and Flame 244, 2022].

La concentration en oxygène jouant un rôle prédominant vis-à-vis de la richesse globale pour les mélanges pauvres en carburant, la richesse gagne de l’importance sur le transport de l’oxygène et donc sur la température de réaction pour des richesses plus proches de la stœchiométrie. Afin d’éviter les dépôts de particules métalliques imbrûlés, une richesse globale en dessous la stœchiométrie est nécessaire. Les pertes thermiques par radiation sont également plus importantes avec l’augmentation forte de la température de ces particules, ce qui défavorise également la stabilisation et provoque une augmentation forte des émissions de NOx.

Un effet plus courant dans le cadre de la recirculation des gaz d’échappement appliqué à la combustion, est la réduction des émissions d’oxydes d’azote thermiques par l’abaissement de la température de combustion (mécanisme de Zeldovich).

Le système de recirculation des gaz d’échappement se compose d’une conduite reliée à la conduite d’échappement, de préférence en aval de la filtration, qui prélève le gaz constitué essentiellement d’azote (et d’oxygène en excès dans le cas d’une combustion proche de la stœchiométrie) grâce à une ventilation aspirante suivie d’un papillon de régulation de débit de recirculation, afin de réinjecter ce gaz en amont du brûleur ou directement dans la conduite d’admission en amont de la ventilation principale (dans ce cas, grâce à la ventilation principale, la ventilation aspirante n’est plus nécessaire).

Le taux de recirculation peut varier de 0 à plus de 50% du débit total injecté (la réduction des émissions de NOx atteint un plateau après 50% de taux de recirculation) et une concentration en oxygène aux alentours des 14% permet déjà de réduire grandement les phénomènes de formations de nanoparticules d’oxydes (mais avec ce système la concentration en oxygène dans l’admission peut baisser jusqu’à 10%). Ainsi, dans le cadre d’une application énergétique circulaire, où le but est de régénérer les particules de fer initiales à partir des oxydes, la minimisation des effets produisant les émissions de nanoparticules permet de maintenir l’intégrité des particules tout au long du cycle pour éviter les procédés intermédiaires de reformage des particules de fer micrométriques.

Les moyens 8 de capture des oxydes peuvent se composer d’un ensemble de cyclones dimensionnés pour permettre la filtration des particules d’oxydes allant du micron jusqu’à plusieurs centaines de microns. C’est un procédé commun dans le dépoussiérage des fumées industrielles. On pourrait aussi mettre en œuvre une chambre de sédimentation qui utilise l’inertie des grosses particules de diamètre compris entre quelques microns et quelques centaines de microns, qui, soumises à la gravité, vont se déposer au fond de la chambre.

Il est possible de filtrer les nanoparticules restantes à l’aide d’un filtre à manche ou HEPA (“ High Efficiency Particulate Air” pour “filtre à particules aériennes à très haute densité”), ou d’un filtre électrostatique ou électromagnétique accompagné d’une ventilation d’aspiration en aval pour vaincre les pertes de charges générées par l’ensemble des éléments de filtration.

Le système de production d’énergie S2 selon l’invention peut être utilisé pour chauffer l’air d’une habitation, l’eau d’une habitation (eau sanitaire et de chauffage) (S1), générer de la vapeur pour l’industrie (S5), sécher des agrégats ou tout produit humide (S3,S4), générer de l’électricité dans un cycle de Rankine à vapeur d’eau ou liquide organique (S6), ou co-générer chaleur et électricité si la chaleur est récupérée dans le condenseur (S7).

Le Système S1 pour produire de l’énergie thermique à partir d’une combustion de particules métalliques, comprend des moyens 3 pour brûler des particules métalliques dans une chambre de combustion 4, comprenant un système d’allumage 2 prévu pour générer une flamme pilote, des moyens 100 pour injecter des particules métalliques dans lesdits moyens brûleurs, des moyens 5,6 d’admission de l’air à injecter dans les moyens brûleurs 3 de façon à constituer un prémélange d’air et de particules métalliques, comprenant des moyens ventilateurs 5 (de type ventilation soufflante) et des moyens 6 de réglage du débit d’admission d’air, des moyens pour capturer les particules oxydées dans les gaz d’échappement, en aval des premiers moyens d’échange thermique, des moyens 11 pour extraire les gaz d’échappement en aval des moyens de capture, un échangeur thermique 7 entre un fluide de transfert et la chambre de combustion 4, ce fluide de transfert étant prévu pour être injecté dans les moyens d’échange thermique 7 via des moyens de pompe 12 et pour transférer une partie de l’énergie thermique de combustion dans un équipement utilisateur 13.

L’échangeur thermique 7 peut être composé d’un ensemble de tubes où circule le fluide caloporteur qui transporte la chaleur vers les équipements utilisateurs. Ces tubes peuvent être localisés dans le volume chaud de la chambre de combustion et de la filtration ou disposés autour de ces derniers mais en contact avec leurs parois. Le fluide caloporteur est soit distribué dans plusieurs tubes disposés en parallèle, ou alors dans un serpentin, avec pour objectif de maximiser la surface d’échange thermique avec l’écoulement chaud de la chambre de combustion.

Le système de production S1 comprend en outre une boucle de recirculation d’une fraction des gaz d’échappement issus de la chambre de combustion 4, ayant une entrée de prélèvement de gaz en aval de la chambre de combustion 4 et une sortie d’injection de gaz en amont des moyens brûleurs 3.

En référence à la , Le système de production S2 est une variante du système S1, comprenant une grande boucle de recirculation 30 d’une fraction des gaz d’échappement issus de la chambre de combustion 4, cette grande boucle de recirculation ayant une entrée de prélèvement de gaz en aval de la chambre de combustion 4, une sortie 32 d’injection de gaz en amont de l’entrée des moyens de ventilation 5 pour admission d’air, et pourvue optionnellement d’une unité de régulation 10.

En référence à la , le système de production S3 est une variante du système S1 de chauffage d’air par combustion de particules métalliques. Il comprend en lieu et place de l’échangeur 13, un échangeur gaz-air 13b.

En référence à la , le système de production S4 est une variante des modes de réalisation S1-3 mis en œuvre dans une installation de séchage d’un produit humide, cette installation 13c comprenant un tambour de séchage 14 prévu (i) pour recevoir en entrée d’une part de l’air chaud provenant des seconds moyens d’échange thermique 7 et d’autre part du produit humide provenant d’une unité de stockage 13c de produit humide et (ii) pour délivrer en sortie du produit séché dans une unité de récupération 15 et de l’air de séchage refroidi.

En référence à la , le système de production S5 est une variante du système de production S4, dans laquelle le fluide de transfert est de la vapeur d’eau injectée dans l’échangeur d’échange thermique 7 au moyen d’une pompe à vapeur 12, ce système comprenant en outre une boucle 50 de recirculation d’air prévue pour recevoir en entrée de la vapeur refroidie issue de l’équipement utilisateur 13c et l‘injecter en entrée de la pompe à vapeur 12.

En référence à la , le système de production S6 est une variante des modes de réalisation de systèmes de production S1-S4, qui permet de transférer la chaleur de combustion à un système industriel 13d consommant de la chaleur transportée par vapeur d’eau constitué des éléments d’un générateur de vapeur.

En référence à la , le système de production S7 est une variante du mode de réalisation S6, dans laquelle le fluide de transfert est diphasique (i), sous une forme liquide en amont de l’échangeur thermique 7 et (ii) sous une forme vapeur en aval de l’échangeur thermique 7 et en entrée de l’équipement utilisateur 17. Ce système de production 7 comprend en outre une boucle 70 pour récupérer la vapeur refroidie en sortie de l’équipement utilisateur 17, la conduire en entrée d’une unité de condensation 18 et l’injecter sous forme liquide dans les moyens de pompe 15. L’équipement utilisateur 17 inclut une turbine à vapeur à haute pression entraînant une génératrice d'électricité 13. Le système S7 peut utiliser un cycle de Rankine mais également un convertisseur thermodynamique de type Stirling ou encore un convertisseur de type turbine à gaz par combustion externe, le gaz de combustion étant chauffé par un échangeur le gaz de détente qui passe dans la turbine, même si pour des applications de plusieurs MW on retrouve plus souvent des convertisseurs de type cycle de Rankine (liquide organique ou à vapeur d’eau) pour leur rentabilité économique.

En référence à la , le système de production S8 est une variante du mode de réalisation S7, dans laquelle les moyens de condensation 14 coopèrent avec un équipement 19, inséré dans la boucle récupération 70, prévu pour récupérer de l’énergie thermique lors de la condensation à des fins de valorisation de la chaleur fatale issue de la conversion d’énergie.

Bien sûr la présente invention n’est pas limitée aux seuls exemples qui viennent d’être décrits et bien d’autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de la présente invention. On peut en particulier utiliser le système de production d’énergie en mode embarqué pour la propulsion de systèmes et d’engins de mobilité tels que des navires, des systèmes ferroviaires, des vaisseaux spatiaux, des aéronefs et notamment des dirigeables.

Par ailleurs, on peut prévoir une mise en œuvre de systèmes de production d’énergie thermique selon l’invention, sur la lune, en exploitant des particules métalliques et de l’oxygène issus d’un processus de réduction du régolithe couvrant son sol.

Claims

Système (S1-S8) pour produire de l’énergie thermique à partir d’une combustion de particules métalliques, comprenant :
des moyens (3) pour brûler des particules métalliques dans une chambre de combustion (4), comprenant un système d’allumage (2) prévu pour générer une flamme pilote,

des moyens (100) pour injecter des particules métalliques dans lesdits moyens brûleurs,

des moyens (5,6) d’admission de l’air à injecter dans les moyens brûleurs (3) de façon à constituer un pré-mélange d’air et de particules métalliques, comprenant des moyens ventilateurs (5),

des moyens (8) pour capturer les particules oxydées dans les gaz d’échappement, en aval ou combinés à des premiers moyens d’échange thermique,

des premiers moyens (7) d’échange thermique entre un fluide de transfert et la chambre de combustion (4), ledit fluide de transfert étant prévu pour être injecté dans lesdits moyens d’échange thermique (7) via des moyens de pompe (12) et pour transférer une partie de l’énergie thermique de combustion dans un équipement utilisateur (13,13b, 13c,13d,17),
caractérisé en ce qu’il comprend en outre une boucle (20) de recirculation d’une première fraction (22) des gaz d’échappement issus de la chambre de combustion (4), ayant une entrée de prélèvement de gaz en aval de la chambre de combustion (4) et une sortie d’injection de gaz en amont des moyens brûleurs (3).
Système de production (S1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la sortie de réinjection de la boucle de recirculation est disposée en aval des moyens d’admission d’air.
Système de production (S1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la boucle de recirculation (20) comprend en outre des moyens ventilateurs (9).
Système de production (S2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie de réinjection de la boucle de recirculation est disposée en amont des moyens d’admission d’air (5,6).
Système de production selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d’admission d’air comprennent en outre des moyens supplémentaires (6) de réglage du débit d’admission d’air.
Système de production selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens ventilateurs (11) pour extraire les gaz d’échappement en aval des moyens de capture.
Système de production selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle de recirculation (20,30) comprend des moyens (10) de réglage du débit de recirculation.
Système de production (S1-S8) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens préchauffeurs de l’air d’admission en amont de son injection dans les moyens brûleurs, lesdits moyens préchauffeurs comprenant des seconds moyens d’échange thermique (21) entre une seconde fraction (23) des gaz d’échappement issus de la chambre de combustion et de l’air d’admission (1),
Système de production (S1-S8) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premiers moyens d’échange thermique (7) comprennent une enceinte entourant la chambre de combustion (4) et agencée pour y faire circuler le fluide de transfert.
Système de production (S1-S8) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’enceinte d’échange thermique (7) entoure aussi les moyens de capture des oxydes (8).
Système de production (S1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de transfert est de l’eau injectée dans les premiers moyens d’échange thermique (7) au moyen d’une pompe à eau (12).
Système de production (S1) selon la revendication précédente, mis en œuvre dans une installation de chauffage central d’un local (13).
Système de production (S1) selon l’une des deux revendications précédentes, mis en œuvre dans une installation de chauffage d’eau sanitaire (13).
Système de production (S3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le fluide de transfert est de l’air injecté dans les seconds moyens d’échange thermique (7) au moyen de moyens ventilateurs (12).
Système de production (S3) selon la revendication précédente, mis en œuvre dans une installation (13b) de chauffage de l’air d’un local.
Système de production (S4) selon la revendication 14, mis en œuvre dans une installation de séchage d’un produit humide, ladite installation (13c) comprenant un tambour de séchage (14) prévu (i) pour recevoir en entrée d’une part de l’air chaud provenant des seconds moyens d’échange thermique (7) et d’autre part du produit humide provenant d’une unité de stockage (13c) de produit humide et (ii) pour délivrer en sortie du produit séché dans une unité de récupération (15) et de l’air de séchage refroidi.
Système de production (S5) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le fluide de transfert est de la vapeur d’eau injectée dans les seconds moyens d’échange thermique (7) au moyen d’une pompe à vapeur (12), et en ce qu’il comprend en outre une boucle de recirculation prévue pour recevoir en entrée de la vapeur refroidie issue de l’équipement utilisateur (13c) et l‘injecter en entrée de ladite pompe à vapeur (12).
Système de production (S5) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens pour évacuer un surplus de vapeur dans la boucle de recirculation de vapeur.
Système de production (S5) selon l’une des deux revendications précédentes, mis en œuvre dans une installation de séchage d’un produit humide.
Système de production (S6) selon l’une des revendications 17 ou 18, mis en œuvre dans un système industriel (13d) consommant de la chaleur transportée par vapeur d’eau.
Système de production (S7,S8) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le fluide est diphasique (i) sous une forme liquide en amont des premiers moyens d’échange thermique (7) et (ii) sous une forme vapeur en aval des premiers moyens d’échange thermique (7) et en entrée de l’équipement utilisateur (17), et en ce qu’il comprend en outre des moyens (18,19) pour condenser la vapeur refroidie issue de l’équipement utilisateur (17) et l’injecter sous forme liquide dans les moyens de pompe (15).
Système de production (S8) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de condensation (19) coopèrent avec des moyens pour récupérer de l’énergie thermique lors de la condensation à des fins de valorisation de la chaleur fatale issue de la conversion d’énergie.
Système de production (S7,S8) selon l’une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que l’équipement utilisateur comprend une turbine à vapeur à haute pression (17) entraînant une génératrice d’électricité (13e).
Procédé pour produire de l’énergie thermique à partir d’une combustion de particules métalliques, mis en œuvre dans le système de production (S1-S7) selon l’une quelconque des revendications précédentes, ce procédé comprenant les étapes suivantes :
mélanger de l’air issu d’une admission d’air et des particules métalliques issues d’une injection de particules métalliques,

injecter le mélange d’air et de particules métalliques dans un brûleur (3),

brûler ce mélange dans une chambre de combustion (4), conduisant à une production de chaleur et de gaz d’échappement,

échanger la chaleur ainsi produite, via un fluide de transfert, dans un équipement utilisateur (13,13b, 13c,13d,12),

capturer, à partir des gaz d’échappement, des particules oxydées en aval du brûleur (3),
caractérisé en ce qu’il comprend en outre une recirculation d’une première fraction (22) des gaz d’échappement, ladite recirculation comprenant un prélèvement en aval de la chambre de combustion (4) et une injection de ladite première fraction de gaz d’échappement en amont des moyens brûleurs (3).
Procédé de production (S1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’injection de gaz d’échappement est effectuée en aval de l’admission d’air.
Procédé de production (S2) selon la revendication 24, caractérisé en ce que l’injection de gaz d’échappement est effectué en amont de l’admission d’air.