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WO2020217028A1 - Burner made of sintered nanomaterials for the flame combustion of a gaseous premixture of the oxidant/fuel type - Google Patents

Burner made of sintered nanomaterials for the flame combustion of a gaseous premixture of the oxidant/fuel type Download PDF

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Publication number
WO2020217028A1
WO2020217028A1 PCT/FR2020/050699 FR2020050699W WO2020217028A1 WO 2020217028 A1 WO2020217028 A1 WO 2020217028A1 FR 2020050699 W FR2020050699 W FR 2020050699W WO 2020217028 A1 WO2020217028 A1 WO 2020217028A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mixture
hydrogen
burner
fuel
flame burner
Prior art date
Application number
PCT/FR2020/050699
Other languages
French (fr)
Other versions
WO2020217028A4 (en
Inventor
Henri BECU
Original Assignee
Becu Henri
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Becu Henri filed Critical Becu Henri
Priority to JP2021563367A priority Critical patent/JP2022530472A/en
Priority to EP20754317.4A priority patent/EP3959471A1/en
Publication of WO2020217028A1 publication Critical patent/WO2020217028A1/en
Publication of WO2020217028A4 publication Critical patent/WO2020217028A4/en

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/12—Radiant burners
    • F23D14/16—Radiant burners using permeable blocks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/32—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid using a mixture of gaseous fuel and pure oxygen or oxygen-enriched air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/10—Flame diffusing means
    • F23D2203/105—Porous plates
    • F23D2203/1055—Porous plates with a specific void range
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to the field of flame generators, more particularly burners, in particular for boilers or gas stoves or air heaters.
  • водородн ⁇ е ⁇ лектродетс ⁇ в какл ⁇ ество ⁇ лектро ⁇ ет ⁇ ект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ⁇ лект ⁇ ескиеские
  • Fuel cells although the preferred method at present in a large number of technical fields, have a major drawback in that they include a not insignificant quantity of platinum, a limited and expensive resource.
  • the invention relates to this end to the field of flame burners, obtained by the oxidation-reduction reaction of an oxidizer and a fuel producing a premix flame resulting from the combustion of a homogeneous mixture, and those in the absence of any catalyst.
  • Such a burner is fundamentally different from a catalytic burner, which is based on the principle of catalytic combustion.
  • Catalytic combustion is a chemical reaction, which differs from conventional combustion characterized by the presence of a flame. The main difference is the use of a catalyst instead of high temperatures to maintain the combustion process.
  • the fuel burns in the presence of oxygen at high temperatures by ignition using a flame. Once the process has started, combustion lasts as long as it is supplied with sufficient quantities of fuel and oxygen, and as long as the temperature remains high.
  • Patent US5810577 is known from the prior art describing a catalytic burner which comprises two series of pipes:
  • At least one pipe allowing the supply of a combustion gas such as oxygen or air.
  • This burner has two combustion stages, the second combustion stage being a monolithic burner through which the gas mixture which leaves the first stage passes through and a heat exchanger which communicates with the burner.
  • the first combustion stage is a diffusion burner in which a chamber containing the combustible gas is separated from the chamber which contains the combustion gas by a catalytic layer permeable to the combustible gas.
  • the burner structure is made of an extremely porous, catalytically active material with a porosity> 50% and a pore size between 0.001 and 100 ⁇ m. The thickness of the layer is between 0.05 and 10 mm.
  • the fuel gas is fed into the chamber and the combustion gas is fed into the chamber.
  • American patent US4889481 is also known which relates to a radiant heat device with surface combustion comprising an inlet path for receiving mixtures of fuel and oxidizing gas.
  • the burner body has an inlet side facing the feed path and an outlet side defining a radiating surface.
  • This catalytic body comprises a first layer of porous ceramic material adjacent to the inlet side and a second layer of porous ceramic material adjacent to the outlet side defining said radiating surface.
  • the first layer of porous ceramic material has a thickness of at least about 0.01 inch and a fine interconnected porous structure with an average pore diameter ranging from 0.001 millimeters to inch to 2.5 millimeters.
  • the second layer of porous ceramic material has a thickness of at least 1.3 millimeters and a coarse interconnected porous structure with an average diameter ranging from 1.3 to 10 millimeters. At least the outer surfaces of said first porous layer and substantially all surfaces of said second porous layer are provided with a fully dense ceramic coating.
  • This patent specifies that the higher the body temperature, the shorter the wavelength, and proposes to bring the ceramic to more than 1400 ° C to emit infrared and thus form NOx. This is a solution unrelated to the realization of a flame burner.
  • the patent application US2003143151 describes not a burner but a reactor for the synthesis of carbon-based nanomaterials from liquid hydrocarbons. It comprises one or more inlets allowing the introduction of an oxygenated gas and a fuel gas based on hydrocarbons, so as to allow the production of a flame from these mixed gases, an emission device of droplets allowing droplets of a feedstock formed from liquid hydrocarbons to be introduced into the flame, and a collecting device intended to collect the condensable products containing carbon nanomaterials generated in this combustion system.
  • This combustion system can include an optional reaction zone, located downstream of the flame. If such a reaction zone is present, the hydrocarbon feedstock can be introduced into the flame, the reaction zone, or both.
  • European patent application EP155082 is also known, describing a device for. the dimensions of said cavities and / or their mutual distance being selected so as to obtain the emission and the propagation by the structure of electromagnetic waves having first wavelengths. It is not a flame burner but a catalytic combustion system.
  • French patent FR2944336 describes a device upstream of a flame.
  • the device does not describe a combustion by flame of a premix at the periphery of a nanomaterial but it describes a bed of beads or porous material upstream, depending on the gas flow, of an anti-backfire, which anti-backfire is upstream, depending on the gas flow, of a flame located well beyond this anti-backfire.
  • nanomaterials a fuel inlet, an oxidizer inlet and an outlet for mixing the fuel with the oxidizer.
  • the invention provides a simplified flame burner supplied directly with an air-hydrogen mixture, comprising a porous wall the pores of which are smaller than 10 microns.
  • the burner according to the invention is at the same time inexpensive, very little polluting, and does not use limited resources for its production.
  • This can also be used with any type of oxidizer / fuel mixture, in all proportions, and moreover allows good flame retention, while preventing backfire. It also avoids the drawbacks of catalytic combustion systems and in particular the consumption of the catalyst which reduces the life of the burner.
  • Figures 1 and 2 illustrate a burner made of a sintered material of nanoparticles of silicon oxide according to the invention.
  • Figures 3 and 4 show an air heater according to the invention consisting of a burner.
  • Figure 3 showing a front view of a variant of an air heater according to the invention
  • Figure 4 showing a front view of another variant of an air heater according to the invention
  • a first object of the invention relates to a burner supplied with a gaseous mixture comprising an oxidizer and a fuel, said mixture passing through a porous wall with a pressure greater than atmospheric pressure, the mean section of the porosities of which is less than 10 5 meters.
  • the term “burner” is understood to mean a device capable of carrying out combustion by flame of the mixture which feeds it. Said flame combustion taking place at the porous wall.
  • gas mixture comprising an oxidizer and a fuel means an oxidizer / fuel assembly which arrives mixed with the porous wall at the outlet of the burner.
  • the burner according to the invention although designed to solve the various technical problems due to the combustion of the hydrogen obtained from a premix, proves to be usable with all types of gas mixtures comprising at least one oxidizer. and a fuel.
  • the “gas mixture comprising an oxidizer and a fuel” is a mixture comprising air and hydrogen.
  • the oxygen in the air acts as an oxidizer, and the hydrogen as a fuel.
  • the burners according to the invention can be used with hydrogen of any quality. .
  • the “gas mixture comprising an oxidizer and a fuel” is a mixture comprising air, hydrogen and methane.
  • the oxygen in the air acts as an oxidizer, and hydrogen and methane act as fuels.
  • the "gas mixture comprising an oxidizer and a fuel” is a mixture comprising pure oxygen and one or more fuels.
  • the mixture is a stoichiometric mixture.
  • stoichiometric mixture means a balanced mixture allowing the complete consumption of all the reagents.
  • the mixture is a "quasi-stoichiometric" mixture.
  • “quasi-stoichiometric” means a mixture containing ⁇ 15% of the oxidant / fuel stoichiometric ratio.
  • the mixture used to feed the burner comprises one of its components in excess.
  • the mixture used to feed the burner comprises excess fuel.
  • excess fuel is hydrogen. This is particularly useful in the field of metallurgy.
  • the mixture used to supply the burner comprises excess oxidant.
  • excess oxidant Such an embodiment makes it possible in particular to reduce the combustion temperature.
  • the mixture used to supply the burner comprises air in great excess and hydrogen.
  • air in great excess and hydrogen Such an embodiment makes it possible to produce hot air in order to heat directly and without a chimney.
  • the mixture used to supply the burner comprises a gas which is neither oxidizer nor fuel in excess.
  • a gas having a coolant function in order to define the temperature of the gaseous fluid on combustion.
  • the balance of calories produced by combustion on a mass flow of argon is characterized by a delta T ° C of the argon fluid.
  • the burner according to the invention is able to operate with so-called “partial” mixtures.
  • the mixture according to the invention is composed of an oxidizer such as air and of a mixture of gaseous fuels comprising hydrogen.
  • the mixture can for example be a mixture of hydrogen and methane.
  • the mixture is a mixture of hydrogen air and another fuel, the whole being in stoichiometric proportions.
  • said mixture is a “quasi-stoichiometric” mixture as described above.
  • the oxidizer / fuel mixture according to the invention can be obtained using a gas mixer such as are known to those skilled in the art.
  • the oxidizer / fuel mixture is produced using a mixer of the venturi type.
  • Such a mixer makes it possible, by adjusting the pressure of the oxidizer present in the main stream and of the fuel present in the secondary stream, to obtain an oxidizer / fuel mixture as desired by the 'user.
  • porous wall is understood to mean a wall whose average porosity section is less than 10 5 m. This wall will be called a “microporous” wall.
  • the average section of the porosities of the wall is less than 10 6 m, more preferably less than 10 7 m, and even more preferably less than 10 8 m.
  • each of these preferred embodiments being independently usable as soon as the wall according to the invention is mentioned.
  • An even more preferred embodiment of the invention therefore consists of a burner supplied with a mixture as described above, the gas mixture passing through a wall, the mean section of the porosities of which is less than 10 8 m.
  • This wall will be called a “nanoporous” wall.
  • a wall according to the invention makes it possible to solve the problem of flashback that may arise in burners using a premix, in particular when using a fuel having a high flame propagation speed such as hydrogen. .
  • flashback is understood to mean the phenomenon due to the non-stabilization of a pre-mix flame which leaves its position of apparent static equilibrium at the top of a burner to return the stream of fresh gases and enter the burner.
  • the porous wall according to the invention in fact forms “passage micro-sections”, or “passage nano-sections” in the case of a nanoporous wall, which make it possible to prevent the backfire in the burner, by preventing combustion by flame in the material.
  • Such a wall also makes it possible to keep the flame attached to the burner. Indeed, due to the porous structure of the material, a multitude of passages are available, allowing a flow speed of the premix at the outlet of the burner, lower than the propagation speed of the flame, the flame therefore remains "hooked". To the burner.
  • the reaction to produce nitrogen oxides is as follows: N2 (air) + 02 -> 2 NO when the temperature exceeds 1400 ° C.
  • the porous wall according to the invention advantageously makes it possible to maintain the combustion temperature below the threshold for the formation of nitrogen oxides, thus greatly limiting the production of NOx by the burner according to the invention.
  • said microporous wall consists of one or more material (s) in which micropores are obtained by sintering of said material (s).
  • material will group together one or more material (s) at the same time.
  • sintering is understood to mean the consolidation of a material (for example a powder), obtained by minimizing the energy of the system thanks to an input of energy (thermal, mechanical, with a laser, etc.) but without fusion of at least one of the constituents.
  • the material to be sintered is chosen from silicon oxide and alumina oxide.
  • the microporous material is obtained by raising the temperature of silicon oxide or of alumina oxide until a sintered structure is obtained. It is essential during the rise in temperature to remain below the vitrification temperature of the material to be sintered.
  • the microporous material is obtained by raising the temperature of silicon oxide to a temperature between 900 and 1000 ° C.
  • a second object according to the invention relates to a boiler comprising one or more burners according to the invention.
  • the boiler according to the invention is supplied with an air / hydrogen mixture.
  • Such a boiler has the advantage of producing only water following the combustion of hydrogen.
  • Such a boiler fed by an air / hydrogen mixture will not produce CO2.
  • the boiler according to the invention is supplied with a mixture of excess air and hydrogen so that it produces propelled hot air.
  • a boiler has the advantage of not producing C02 due to the use of hydrogen, and also not producing NOx due to the use of excess air, making it possible to reduce the temperature of combustion of the mixture so that it is strictly below 1400 ° C, the temperature from which the production of NOx takes place.
  • a third object according to the invention relates to a gas stove comprising one or more burners according to the invention.
  • the gas cooker according to the invention is supplied with an air / hydrogen mixture.
  • a gas stove has the advantage of producing only water following the combustion of hydrogen.
  • such a boiler fed by an air / hydrogen mixture will not produce CO2.
  • a fourth object according to the invention relates to an oven comprising one or more burners according to the invention.
  • the furnace according to the invention is supplied with an air / hydrogen mixture.
  • Such a furnace has the advantage of producing only water following the combustion of hydrogen.
  • an air / hydrogen mixture will not produce CO2.
  • Figures 1 and 2 show a burner made of a sintered material of nanoparticles of silicon oxide (3) deposited on a ring (2) sintered from micron powders of 316L stainless steel.
  • connection flange (5) and the plug (6) are then glued to the ring (2).
  • the stoichiometric mixture of air and hydrogen at 50 mbar relative is injected into the burner through the tube (1) coaxial with the microporous cylindrical part, into a chamber (7) of cylindrical shape, the base of which communicates with the duct of arrival of the mixture and whose envelope is microporous.
  • the flame forms on the outer surface of the ring, without catalytic reaction with the material from which the ring is made.
  • This cylindrical part with a microporous or nanoporous wall is supplied directly by a duct delivering a stoichiometric mixture of air and hydrogen.
  • the addition of a flame in (4) demonstrates the stability of combustion with flame of the stoichiometric mixture of air and hydrogen as well as the stability of the temperature below 400 ° C of the connection flange ( 5) and the burner cap (6).
  • the burner is therefore in the form of a tubular head consisting of two coaxial and adjacent sintered cylindrical rings, the cylindrical inner chamber of which is supplied by a coaxial supply tube delivering a gas mixture comprising an oxidizer and a fuel.
  • the two coaxial rings form a micro or nanoporous wall.
  • the burner according to the invention is particularly suitable for producing an air heater.
  • An air heater essentially comprises a motor-fan unit (14) blowing air through an expansion chamber across which extends a heat exchanger.
  • These unit heaters are intended for heating large-volume premises, such as workshops, and are usually arranged horizontally. In other words, these unit heaters produce substantially horizontal hot air currents at their outlet and as this hot air naturally tends to rise, the result is a stratification of the air layers in the room with very high temperature differences between the ceiling of the room. local and soil. Such a temperature difference can be of the order of 15 to 30 ° C.
  • the unit heaters must provide, for a given comfort temperature inside the room, a quantity of heat greater than or equal to the quantity of waste heat.
  • This heat loss is of two types, namely on the one hand a static loss due to the walls and on the other hand a dynamic loss due to the renewal of the internal air. Due to the stratification caused by the rise of hot air, the thermal losses through the roof of the room are very important.
  • FIG. 3 shows an air heater according to the invention consisting of a burner (1) described for example with reference to the preceding figures 1 and 2.
  • This burner (11) according to the invention is positioned in an exchanger tube (12).
  • a mixture of excess air and hydrogen (13) at 50 mbar relative is injected into the burner (11).
  • the electric fan (14) propels the air towards the exchanger tube (12) to raise the temperature of this propelled air.
  • This unit heater does not have a chimney for the evacuation of the burnt gases and has a calorific efficiency at 100% for heating a room by producing zero carbon dioxide C02 and zero nitrogen dioxide NOx.
  • FIG 4 shows an air heater as described in Figure 3 and fed by a hydrogen tank (16) without being connected to any other energy source such as the electrical network.
  • the electrical energy (18) is supplied by the hydrogen cell (17) which is itself supplied by the hydrogen reservoir (16). Electric power (18) feeds an air booster to supply air at 50 mbar to the air / hydrogen mixer (20).
  • the air / hydrogen mixer (20) is also supplied by the hydrogen tank (16). Fed by a hydrogen tank (16), the air heater is 100% autonomous with no other external energy sources than hydrogen (16).
  • This 100% self-contained unit heater can be used to prevent damage from spring frosts in vines or any other frost crop.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The invention relates to a flame burner supplied with a gaseous mixture comprising an oxidant and a fuel, said mixture passing through a porous wall at a pressure higher than the atmospheric pressure, the mean cross-section of the porosities being less than 10-5 meters.

Description

Description Description
TITRE : BRULEUR EN NANO MATERIAUX FRITTES POUR LA COMBUSTION PAR FLAMME TITLE: BURNER IN NANO FRIED MATERIALS FOR FLAME COMBUSTION
D'UN PREMELANGE GAZEUX DU TYPE COMBURANT/COMBUSTIBLE OF A GAS PREMIXE OF THE OXIDIZING / FUEL TYPE
La présente invention concerne le domaine des générateurs de flamme, plus particulièrement des brûleurs, notamment pour chaudières ou gazinières ou aérothermes. The present invention relates to the field of flame generators, more particularly burners, in particular for boilers or gas stoves or air heaters.
L'époque actuelle a vu les populations prendre conscience de la pollution induite par les énergies fossiles ; qu'il s'agisse de la pollution par le C02, à l'origine du réchauffement climatique, des « particules » générées par les moteurs diesel ou des oxydes d'azotes NOx, qui s'avèrent hautement toxique pour l'Homme. The current era has seen people become aware of the pollution induced by fossil fuels; whether it is C02 pollution, the cause of global warming, "particles" generated by diesel engines or nitrogen oxides NOx, which are highly toxic to humans.
Afin de limiter l'utilisation des énergies fossiles, des énergies dites « vertes » se sont développées. On peut citer par exemple l'énergie éolienne ou l'énergie solaire issue des panneaux photovoltaïques. In order to limit the use of fossil fuels, so-called “green” energies have been developed. Mention may be made, for example, of wind energy or solar energy obtained from photovoltaic panels.
Le problème que pose ce type de sources d'énergies est le caractère irrégulier de celles-ci , car dépendantes du climat. On a alors vu apparaître un besoin de stockage des électrons issus de ces énergies vertes, afin de pouvoir redistribuer l'énergie à toute heure du jour ou de la nuit, d'un jour à l'autre, d'une semaine à l'autre, d'une saison à l'autre... The problem with this type of energy source is their irregular nature, because they are dependent on the climate. We then saw a need to store electrons from these green energies, in order to be able to redistribute energy at any time of the day or night, from one day to another, from one week to the next. other, from one season to another ...
Le stockage de cette énergie se fait : The storage of this energy is done:
Soit de manière directe, en stockant l'énergie dans des « batteries secondaires », des batteries rechargeables capables d'accumuler l'énergie électrique et de la redistribuer à la demande. L'inconvénient principal de ces batteries secondaires est leur composition, en effet, elles sont constituées de métaux rares, tels le lithium, présents en quantité limitée sur terre, et qui entraînent une pollution des sols lors de leur extraction. Either directly, by storing energy in “secondary batteries”, rechargeable batteries capable of accumulating electrical energy and redistributing it on demand. The main drawback of these secondary batteries is their composition, in fact they consist of rare metals, such as lithium, present in limited quantities on earth, and which cause soil pollution during their extraction.
Soit de manière indirecte, en utilisant l'énergie pour produire de l'hydrogène par électrolyse de la molécule d'eau. Cet hydrogène étant ensuite stocké sous pression pour être réutilisé à la demande, ne formant lors de son utilisation que des molécules d'eau. Or indirectly, using energy to produce hydrogen by electrolysis of the water molecule. This hydrogen is then stored under pressure to be reused on demand, forming during its use only water molecules.
Le stockage de l'énergie sous forme d'hydrogène est donc une solution d'avenir, écologique et durable, pour pouvoir fournir de l'énergie à la demande. Deux méthodes existent pour utiliser l'énergie stockée dans l'hydrogène : Storing energy in the form of hydrogen is therefore a solution of the future, ecological and sustainable, to be able to supply energy on demand. There are two methods for using the energy stored in hydrogen:
Soit utiliser une pile à combustible pour reproduire l'énergie électrique. Or use a fuel cell to reproduce electrical energy.
Soit réaliser la combustion de l'hydrogène et utiliser les calories ainsi obtenues. Or achieve the combustion of hydrogen and use the calories thus obtained.
Les piles à combustible, bien que méthode privilégiée à l'heure actuelle dans un grand nombre de domaines techniques, présente un inconvénient majeur en ce qu'elles comportent une quantité non négligeable de platine, ressource limitée et coûteuse. Fuel cells, although the preferred method at present in a large number of technical fields, have a major drawback in that they include a not insignificant quantity of platinum, a limited and expensive resource.
On note de plus que, en ce qui concerne la production de calories, la combustion de l'hydrogène est la meilleure option, car elle dispose d'un rendement de 99%, quand la pile à combustible présente un rendement de 50% pour former de l'électricité, qui servira à alimenter un moyen de chauffage ayant un rendement aux alentours de 50%, soit un rendement énergétique global de seulement 25%. Ainsi, on comprend par ces avantages l'intérêt de développer un bruleur permettant la combustion de l'hydrogène. It should also be noted that, as regards the production of calories, the combustion of hydrogen is the best option, because it has an efficiency of 99%, when the fuel cell has an efficiency of 50% to form electricity, which will be used to supply heating with an efficiency of around 50%, or an overall energy efficiency of only 25%. Thus, these advantages are understood to be the advantage of developing a burner allowing the combustion of hydrogen.
L'invention concerne à cet effet le domaine des brûleurs à flamme, obtenue par la réaction d'oxydoréduction d'un comburant et d'un combustible produisant une flamme de prémélange résultant de la combustion d'un mélange homogène, et ceux en l'absence de tout catalyseur. The invention relates to this end to the field of flame burners, obtained by the oxidation-reduction reaction of an oxidizer and a fuel producing a premix flame resulting from the combustion of a homogeneous mixture, and those in the absence of any catalyst.
Un tel brûleur se distingue fondamentalement d'un bruleur catalytique, basé sur le principe d'une combustion catalytique. La combustion catalytique est une réaction chimique, qui diffère de la combustion classique caractérisée par la présence d'une flamme. La différence principale est l'utilisation d'un catalyseur à la place des hautes températures pour maintenir le processus de combustion. Such a burner is fundamentally different from a catalytic burner, which is based on the principle of catalytic combustion. Catalytic combustion is a chemical reaction, which differs from conventional combustion characterized by the presence of a flame. The main difference is the use of a catalyst instead of high temperatures to maintain the combustion process.
Dans la combustion classique, objet de l'invention, le carburant brûle en présence d'oxygène à des températures élevées par allumage à l'aide d'une flamme. Une fois le processus enclenché, la combustion dure tant qu'elle est alimentée en quantités suffisantes de carburant et d'oxygène, et tant que la température reste élevée. In conventional combustion, which is the object of the invention, the fuel burns in the presence of oxygen at high temperatures by ignition using a flame. Once the process has started, combustion lasts as long as it is supplied with sufficient quantities of fuel and oxygen, and as long as the temperature remains high.
Dans la combustion catalytique, la même réaction chimique a lieu, mais c'est le catalyseur, principalement du platine, qui maintient le processus de combustion, une combustion sans flamme. De plus, la présence de catalyseur ne nécessite pas des températures aussi élevées que dans la combustion classique pour le maintien de la combustion. État de la technique In catalytic combustion, the same chemical reaction takes place, but it is the catalyst, mostly platinum, that maintains the combustion process, flameless combustion. In addition, the presence of catalyst does not require temperatures as high as in conventional combustion for the maintenance of combustion. State of the art
On connaît de l'art antérieur le brevet US5810577 décrivant un brûleur catalytique qui comprend deux séries de conduites : Patent US5810577 is known from the prior art describing a catalytic burner which comprises two series of pipes:
Au moins une conduite d'alimentation en gaz combustible contenant de l'hydrogène et/ou un hydrocarbure At least one fuel gas supply line containing hydrogen and / or a hydrocarbon
Au moins une conduite permettant L'alimentation en un gaz de combustion comme de l'oxygène ou de l'air. At least one pipe allowing the supply of a combustion gas such as oxygen or air.
Ce brûleur comporte deux étages de combustion, le second étage de combustion étant un brûleur monolithique que le mélange gazeux qui sort du premier étage traverse et un échangeur de chaleur qui communique avec le brûleur. Le premier étage de combustion est un brûleur de diffusion dans lequel une chambre contenant le gaz combustible est séparée de la chambre qui contient le gaz de combustion par une couche catalytique perméable au gaz combustible. La structure du brûleur est réalisée dans un matériau extrêmement poreux à action catalytique, d'une porosité > 50 % et d'une grosseur de pore comprise entre 0,001 et 100 pm. L'épaisseur de la couche est comprise entre 0,05 et 10 mm. Le gaz combustible est acheminé dans la chambre et le gaz de combustion est acheminé dans la chambre. This burner has two combustion stages, the second combustion stage being a monolithic burner through which the gas mixture which leaves the first stage passes through and a heat exchanger which communicates with the burner. The first combustion stage is a diffusion burner in which a chamber containing the combustible gas is separated from the chamber which contains the combustion gas by a catalytic layer permeable to the combustible gas. The burner structure is made of an extremely porous, catalytically active material with a porosity> 50% and a pore size between 0.001 and 100 µm. The thickness of the layer is between 0.05 and 10 mm. The fuel gas is fed into the chamber and the combustion gas is fed into the chamber.
Il s'agit d'une tête catalytique et non pas d'un brûleur à flamme, fragile et complexe, dont les performances se dégradent rapidement lors du vieillissement de l'un de ses constituants ou du déréglage du positionnement relatif des deux étages. This is a catalytic head and not a flame burner, fragile and complex, the performance of which deteriorates rapidly during the aging of one of its constituents or when the relative positioning of the two stages is out of adjustment.
On connaît aussi le brevet américain US4889481 qui concerne un dispositif à chaleur rayonnante à combustion de surface comprenant une voie d'entrée pour recevoir des mélanges de combustible et de gaz oxydant. Le corps de brûleur présente un côté d'entrée faisant face à la voie d'alimentation et un côté sortie définissant une surface rayonnante. Ce corps catalytique comprend une première couche de matériau céramique poreux adjacente au côté d'entrée et une seconde couche de matériau céramique poreux adjacente au côté de sortie définissant ladite surface rayonnante. La première couche de matériau céramique poreux présente une épaisseur d'au moins environ 0,01 pouce et une fine structure poreuse interconnectée avec un diamètre de pore moyen allant de 0,001 millimètres à pouce à 2,5 millimètres. American patent US4889481 is also known which relates to a radiant heat device with surface combustion comprising an inlet path for receiving mixtures of fuel and oxidizing gas. The burner body has an inlet side facing the feed path and an outlet side defining a radiating surface. This catalytic body comprises a first layer of porous ceramic material adjacent to the inlet side and a second layer of porous ceramic material adjacent to the outlet side defining said radiating surface. The first layer of porous ceramic material has a thickness of at least about 0.01 inch and a fine interconnected porous structure with an average pore diameter ranging from 0.001 millimeters to inch to 2.5 millimeters.
La seconde couche de matériau céramique poreux présente une épaisseur d'au moins 1,3 millimètres et une structure poreuse interconnectée grossière avec un diamètre moyen allant de 1,3 à 10 millimètres. Au moins les surfaces extérieures de ladite première couche poreuse et sensiblement toutes les surfaces de ladite seconde couche poreuse sont pourvues d'un revêtement céramique entièrement dense. The second layer of porous ceramic material has a thickness of at least 1.3 millimeters and a coarse interconnected porous structure with an average diameter ranging from 1.3 to 10 millimeters. At least the outer surfaces of said first porous layer and substantially all surfaces of said second porous layer are provided with a fully dense ceramic coating.
Ce brevet précise que plus la température du corps est élevée, plus la longueur d'onde est courte et propose de porter la céramique à plus de 1400°C pour émettre de l'infrarouge et former ainsi des NOx. Il s'agit d'une solution sans rapport avec la réalisation d'un brûleur à flamme. This patent specifies that the higher the body temperature, the shorter the wavelength, and proposes to bring the ceramic to more than 1400 ° C to emit infrared and thus form NOx. This is a solution unrelated to the realization of a flame burner.
La demande de brevet US2003143151 décrit non pas un brûleur mais un réacteur pour la synthèse de nanomatériaux à base de carbone à partir d'hydrocarbures liquides. Il comprend une ou plusieurs entrées permettant l'introduction d'un gaz oxygéné et d'un gaz combustible à base d'hydrocarbures, de manière à permettre la production d'une flamme à partir de ces gaz mélangés, un dispositif d'émission de gouttelettes permettant d'introduire des gouttelettes d'une charge d'alimentation formée d'hydrocarbures liquides dans la flamme, et un dispositif de collecte destiner à collecter les produits condensables contenant des nanomatériaux de carbone générés dans ce système de combustion. Ce système de combustion peut comprendre une zone de réaction facultative, située en aval de la flamme. Si une telle zone de réaction est présente, la charge d'alimentation d'hydrocarbures peut être introduite dans la flamme, dans la zone de réaction ou dans les deux. The patent application US2003143151 describes not a burner but a reactor for the synthesis of carbon-based nanomaterials from liquid hydrocarbons. It comprises one or more inlets allowing the introduction of an oxygenated gas and a fuel gas based on hydrocarbons, so as to allow the production of a flame from these mixed gases, an emission device of droplets allowing droplets of a feedstock formed from liquid hydrocarbons to be introduced into the flame, and a collecting device intended to collect the condensable products containing carbon nanomaterials generated in this combustion system. This combustion system can include an optional reaction zone, located downstream of the flame. If such a reaction zone is present, the hydrocarbon feedstock can be introduced into the flame, the reaction zone, or both.
On connaît encore la demande de brevet européen EP155082 décrivant un dispositif de Le brevet EP1550826 décrit un dispositif de combustion émettant de la lumière comprenant une structure définissant une série de cavités ayant des dimensions inframicrométriques ou nanométriques, dans lequel un procédé de combustion catalytique est confiné, les dimensions desdites cavités et / ou leur distance mutuelle étant sélectionnées de manière à obtenir l'émission et la propagation par la structure d'ondes électromagnétiques ayant des premières longueurs d'ondes. Il ne s'agit pas d'un brûleur à flamme mais d'un système de combustion catalytique. European patent application EP155082 is also known, describing a device for. the dimensions of said cavities and / or their mutual distance being selected so as to obtain the emission and the propagation by the structure of electromagnetic waves having first wavelengths. It is not a flame burner but a catalytic combustion system.
Le brevet français FR2944336 décrit un dispositif en amont d'une flamme. Le dispositif ne décrit pas une combustion par flamme d'un pré-mélange à la périphérie d'un nano matériau mais il décrit un lit de billes ou de matière poreuse en amont, suivant le flux gazeux, d'un anti retour de flamme, lequel anti retour de flamme est en amont, suivant le flux gazeux, d'une flamme située bien au-delà de cet anti retour de flamme. En tout état de cause, il n'est pas fait mention de nano matériaux. une entrée de combustible, une entrée de comburant et une sortie pour un mélange du combustible avec le comburant. French patent FR2944336 describes a device upstream of a flame. The device does not describe a combustion by flame of a premix at the periphery of a nanomaterial but it describes a bed of beads or porous material upstream, depending on the gas flow, of an anti-backfire, which anti-backfire is upstream, depending on the gas flow, of a flame located well beyond this anti-backfire. In any event, no mention is made of nanomaterials. a fuel inlet, an oxidizer inlet and an outlet for mixing the fuel with the oxidizer.
On connaît encore le brevet US5562440 décrit un autre exemple de brûleur formé par un corps allongé définissant un passage avec une ouverture d'entrée à une extrémité pour recevoir un gaz combustible et de l'air primaire, une ouverture de sortie à l'autre extrémité, un venturi à zone réduite entre lesdites extrémités. Une section de mélange intermédiaire entre le venturi et la sortie permet le mélange du gaz et de l'air pour fournir un mélange gaz- air combustible. Ce dispositif comprend un corps poreux ayant une ouverture centrale à travers laquelle une flamme peut se projeter, et des moyens de réduction de vitesse dans ladite section de mélange pour réduire la vitesse du mélange à la périphérie de la section de mélange adjacente à la sortie de sorte que la vitesse du mélange au niveau du membre de corps poreux vers l'extérieur de l'ouverture centrale est faible par rapport à la vitesse entrant dans la centrale ouverture, grâce à quoi une flamme peut s'allumer à travers ladite ouverture centrale en aval de ladite sortie et la surface dudit corps poreux en bas la rame de ladite ouverture peut rayonner. Ce brûleur produit du monoxyde de carbone, il n'est donc pas prévu pour brûler de l'hydrogène mais un combustible carboné. We also know the patent US5562440 describes another example of a burner formed by an elongated body defining a passage with an inlet opening at one end for receiving a combustible gas and primary air, an outlet opening at the other end. , a venturi with a reduced area between said ends. An intermediate mixing section between the venturi and the outlet allows mixing of gas and air to provide a combustible gas-air mixture. This device comprises a porous body having a central opening through which a flame can project, and speed reduction means in said mixing section to reduce the speed of the mixing at the periphery of the mixing section adjacent to the outlet of. so that the speed of mixing at the porous body member outwardly of the central opening is low compared to the speed entering the central opening, whereby a flame can ignite through said central opening in downstream of said outlet and the surface of said porous body at the bottom of the string of said opening can radiate. This burner produces carbon monoxide, so it is not intended to burn hydrogen but a carbonaceous fuel.
Résumé de l'invention Summary of the invention
Ces solutions de l'état de la technique concernent toutes des têtes de brûleur complexes et fragiles, ne permettant pas de bien maîtriser les qualités de la flamme. These solutions of the state of the art all relate to complex and fragile burner heads, which do not make it possible to fully control the qualities of the flame.
Pour remédier à ces inconvénients, l'invention propose un brûleur à flamme simplifié directement alimenté par un mélange air-hydrogène, comportant une paroi poreuse dont les pores sont inférieurs à 10 microns. To remedy these drawbacks, the invention provides a simplified flame burner supplied directly with an air-hydrogen mixture, comprising a porous wall the pores of which are smaller than 10 microns.
De par sa conception innovante, le bruleur selon l'invention est à la fois peu coûteux, très peu polluant, et n'utilise pas de ressources limitées pour sa production. Celui-ci est de plus utilisable avec tout type de mélange comburant/combustible, dans toutes les proportions, et permet par ailleurs une bonne accroche de la flamme, tout en empêchant le retour de flamme. Il évite par ailleurs les inconvénients des systèmes de combustion catalytique et notamment la consommation du catalyseur qui réduit la durée de vie du brûleur. Brève description des figures By virtue of its innovative design, the burner according to the invention is at the same time inexpensive, very little polluting, and does not use limited resources for its production. This can also be used with any type of oxidizer / fuel mixture, in all proportions, and moreover allows good flame retention, while preventing backfire. It also avoids the drawbacks of catalytic combustion systems and in particular the consumption of the catalyst which reduces the life of the burner. Brief description of the figures
Les figures 1 et 2 illustrent un bruleur constitué d'un matériau fritté de nano particules d'oxyde de silicium selon l'invention. Figures 1 and 2 illustrate a burner made of a sintered material of nanoparticles of silicon oxide according to the invention.
Les figures 3 et 4 présentent un aérotherme selon l'invention constitué d'un brûleur. Figures 3 and 4 show an air heater according to the invention consisting of a burner.
La figure 1 présentant une coupe frontale du bruleur Figure 1 showing a front section of the burner
La figure 2 présentant une vue de face du bruleur Figure 2 showing a front view of the burner
La figure 3 présentant une vue de face d'une variante d'aérotherme selon l'invention La figure 4 présentant une vue de face d'une autre variante d'un aérotherme selon l'invention Figure 3 showing a front view of a variant of an air heater according to the invention Figure 4 showing a front view of another variant of an air heater according to the invention
Description détaillée de l'invention Detailed description of the invention
Un premier objet de l'invention concerne un bruleur alimenté par un mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible, ledit mélange traversant avec une pression supérieure à la pression atmosphérique une paroi poreuse, dont la section moyenne des porosités est inférieure à 10 5 mètres . A first object of the invention relates to a burner supplied with a gaseous mixture comprising an oxidizer and a fuel, said mixture passing through a porous wall with a pressure greater than atmospheric pressure, the mean section of the porosities of which is less than 10 5 meters.
On entend par bruleur au sens de l'invention un dispositif capable de réaliser la combustion par flamme du mélange qui l'alimente. Ladite combustion par flamme ayant lieu au niveau de la paroi poreuse. For the purposes of the invention, the term “burner” is understood to mean a device capable of carrying out combustion by flame of the mixture which feeds it. Said flame combustion taking place at the porous wall.
On entend par « mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible » au sens de l'invention, un ensemble comburant/combustible qui arrive mélangé à la paroi poreuse en sortie du bruleur. En effet, le bruleur selon l'invention, bien que conçu pour résoudre les différents problèmes techniques dus à la combustion de l'hydrogène issu d'un pré-mélange, s'avère utilisable avec tous types de mélanges gazeux comprenant au moins un comburant et un combustible. For the purposes of the invention, the term “gas mixture comprising an oxidizer and a fuel” means an oxidizer / fuel assembly which arrives mixed with the porous wall at the outlet of the burner. Indeed, the burner according to the invention, although designed to solve the various technical problems due to the combustion of the hydrogen obtained from a premix, proves to be usable with all types of gas mixtures comprising at least one oxidizer. and a fuel.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le « mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible » est un mélange comprenant de l'air et de l'hydrogène. L'oxygène contenu dans l'air joue le rôle de comburant, et l'hydrogène celui de combustible. A l'inverse des brûleurs de l'art antérieur utilisant des catalyseurs et nécessitant donc une pureté très élevée de l'hydrogène pour ne pas abîmer le catalyseur, les brûleurs selon l'invention peuvent être utilisés avec un hydrogène de n'importe quelle qualité. In a preferred embodiment of the invention, the “gas mixture comprising an oxidizer and a fuel” is a mixture comprising air and hydrogen. The oxygen in the air acts as an oxidizer, and the hydrogen as a fuel. Unlike the burners of the prior art using catalysts and therefore requiring a very high purity of the hydrogen so as not to damage the catalyst, the burners according to the invention can be used with hydrogen of any quality. .
Dans un mode de réalisation alternatif de l'invention, le « mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible » est un mélange comprenant de l'air, de l'hydrogène et du méthane. L'oxygène contenu dans l'air joue le rôle de comburant, et l'hydrogène et le méthane jouent le rôle de combustibles. In an alternative embodiment of the invention, the “gas mixture comprising an oxidizer and a fuel” is a mixture comprising air, hydrogen and methane. The oxygen in the air acts as an oxidizer, and hydrogen and methane act as fuels.
Dans un autre mode de réalisation alternatif, le « mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible » est un mélange comprenant de l'oxygène pur et un ou plusieurs combustibles. In another alternative embodiment, the "gas mixture comprising an oxidizer and a fuel" is a mixture comprising pure oxygen and one or more fuels.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le mélange est un mélange stoechiométrique. On entend par mélange stoechiométrique au sens de l'invention, un mélange équilibré permettant la consommation complète de tous les réactifs. In a particular embodiment of the invention, the mixture is a stoichiometric mixture. For the purposes of the invention, the term “stoichiometric mixture” means a balanced mixture allowing the complete consumption of all the reagents.
Ainsi, dans le cas préféré d'un mélange air/hydrogène , le mélange stoechiométrique respecte la réaction suivante : H2+ ½ 02 = H2O Thus, in the preferred case of an air / hydrogen mixture, the stoichiometric mixture respects the following reaction: H2 + ½ 02 = H2O
Soit : pour 1 moles de 02 on ajoute 2 moles de H2. That is to say: for 1 moles of 02 we add 2 moles of H2.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le mélange est un mélange « quasi- stœchiométrique ». On entend au sens du présent brevet par « quasi-stœchiométrique » un mélange contenant ±15% du ratio stoechiométrique comburant/combustible. In a preferred embodiment of the invention, the mixture is a "quasi-stoichiometric" mixture. For the purposes of the present patent, “quasi-stoichiometric” means a mixture containing ± 15% of the oxidant / fuel stoichiometric ratio.
Ainsi dans le cas préféré d'un mélange air/hydrogène, on comprend que pour 1 mole d'02 on pourra ajouter entre 1,7 et 2,3 moles d'H2. Thus, in the preferred case of an air / hydrogen mixture, it is understood that for 1 mole of O 2, between 1.7 and 2.3 moles of H 2 could be added.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le mélange utilisé pour alimenter le bruleur comporte un de ses composants en excès. In a particular embodiment of the invention, the mixture used to feed the burner comprises one of its components in excess.
Dans un mode de réalisation plus particulier, le mélange utilisé pour alimenter le bruleur comporte du combustible en excès. Un tel mode de réalisation permet par exemple d'obtenir un milieu réducteur si le combustible en excès est l'hydrogène. Cela est particulièrement utile dans le milieu de la métallurgie. In a more particular embodiment, the mixture used to feed the burner comprises excess fuel. Such an embodiment makes it possible for example to obtain a reducing medium if the excess fuel is hydrogen. This is particularly useful in the field of metallurgy.
Dans un mode de réalisation plus particulier alternatif, le mélange utilisé pour alimenter le bruleur comporte du comburant en excès. Un tel mode de réalisation permet notamment de faire diminuer la température de combustion. In a more particular alternative embodiment, the mixture used to supply the burner comprises excess oxidant. Such an embodiment makes it possible in particular to reduce the combustion temperature.
Dans un mode de réalisation encore plus particulier, le mélange utilisé pour alimenter le bruleur comporte de l'air en fort excès et de l'hydrogène. Un tel mode de réalisation permet de produire de l'air chaud afin de chauffer directement et sans cheminée. In an even more particular embodiment, the mixture used to supply the burner comprises air in great excess and hydrogen. Such an embodiment makes it possible to produce hot air in order to heat directly and without a chimney.
Dans un mode de réalisation plus particulier alternatif, le mélange utilisé pour alimenter le bruleur comporte un gaz n'étant ni comburant, ni combustible en excès. Un tel mode de réalisation permet notamment d'ajouter un gaz ayant une fonction de caloporteur , afin de définir la température du fluide gazeux à la combustion. A titre d'exemple, il est possible d'ajouter de l'argon à un mélange stoechiométrique oxygène pur/hydrogène. Les calories sont alors cédées au débit de l'argon venant se mélanger avec O2 et H2 qui se combinent en H2O à la combustion. Ainsi, le bilan des calories produites par la combustion sur un débit massique d'argon se caractérise par un delta T°C du fluide d'argon. In a more particular alternative embodiment, the mixture used to supply the burner comprises a gas which is neither oxidizer nor fuel in excess. Such an embodiment makes it possible in particular to add a gas having a coolant function, in order to define the temperature of the gaseous fluid on combustion. By way of example, it is possible to add argon to a stoichiometric mixture of pure oxygen / hydrogen. The calories are then transferred to the flow of argon coming to mix with O 2 and H 2 which combine into H 2 O on combustion. Thus, the balance of calories produced by combustion on a mass flow of argon is characterized by a delta T ° C of the argon fluid.
De par sa structure novatrice, le bruleur selon l'invention est à même de fonctionner avec des mélanges dits « partiels ». Ainsi, dans un mode de réalisation alternatif, le mélange selon l'invention est composé d'un comburant tel que l'air et d'un mélange de combustibles gazeux comprenant de l'hydrogène. Le mélange peut par exemple être un mélange d'hydrogène et de méthane. By virtue of its innovative structure, the burner according to the invention is able to operate with so-called “partial” mixtures. Thus, in an alternative embodiment, the mixture according to the invention is composed of an oxidizer such as air and of a mixture of gaseous fuels comprising hydrogen. The mixture can for example be a mixture of hydrogen and methane.
Dans une version préférée de ce mode de réalisation alternatif, le mélange est un mélange d'air d'hydrogène et d'un autre combustible, le tout étant dans des proportions stoechiométriques. In a preferred version of this alternative embodiment, the mixture is a mixture of hydrogen air and another fuel, the whole being in stoichiometric proportions.
Dans une version encore plus préférée ledit mélange est un mélange « quasi- stœchiométrique » tel que décrit précédemment. Le mélange comburant/combustible selon l'invention peut être obtenu à l'aide d'un mélangeur de gaz tels qu'ils sont connus de l'homme du métier. In an even more preferred version, said mixture is a “quasi-stoichiometric” mixture as described above. The oxidizer / fuel mixture according to the invention can be obtained using a gas mixer such as are known to those skilled in the art.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le mélange comburant/combustible est réalisé à l'aide d'un mélangeur de type venturi. In a particular embodiment of the invention, the oxidizer / fuel mixture is produced using a mixer of the venturi type.
Un tel mélangeur dont le principe est connu de l'homme du métier, permet, en ajustant la pression du comburant présent dans la veine principale et du combustible présent dans la veine secondaire, d'obtenir un mélange comburant/combustible tel que souhaité par l'utilisateur. Such a mixer, the principle of which is known to those skilled in the art, makes it possible, by adjusting the pressure of the oxidizer present in the main stream and of the fuel present in the secondary stream, to obtain an oxidizer / fuel mixture as desired by the 'user.
On entend par paroi poreuse au sens de l'invention, une paroi dont la section moyenne des porosités est inférieure à 10 5m. On qualifiera cette paroi de paroi « microporeuse ». For the purposes of the invention, the term “porous wall” is understood to mean a wall whose average porosity section is less than 10 5 m. This wall will be called a “microporous” wall.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la section moyenne des porosités de la paroi est inférieure à 10 6m, plus préférentiellement inférieure à 10 7m, et encore plus préférentiellement inférieure à 108m. Chacun de ces modes de réalisation préférés étant indépendamment utilisables dès lors qu'on évoque la paroi selon l'invention. In a preferred embodiment of the invention, the average section of the porosities of the wall is less than 10 6 m, more preferably less than 10 7 m, and even more preferably less than 10 8 m. Each of these preferred embodiments being independently usable as soon as the wall according to the invention is mentioned.
Un mode de réalisation encore plus préféré de l'invention consiste donc en un bruleur alimenté par un mélange tel que décrit précédemment, le mélange gazeux traversant une paroi dont la section moyenne des porosités est inférieure à 108m. On qualifiera cette paroi de paroi « nanoporeuse ». An even more preferred embodiment of the invention therefore consists of a burner supplied with a mixture as described above, the gas mixture passing through a wall, the mean section of the porosities of which is less than 10 8 m. This wall will be called a “nanoporous” wall.
Une paroi selon l'invention permet de résoudre le problème de retour de flamme pouvant se présenter dans les brûleurs utilisant un pré-mélange, en particulier lors de l'utilisation d'un combustible ayant une vitesse de propagation de flamme importante tel l'hydrogène. A wall according to the invention makes it possible to solve the problem of flashback that may arise in burners using a premix, in particular when using a fuel having a high flame propagation speed such as hydrogen. .
On entend par « retour de flamme » le phénomène dû à la non stabilisation d'une flamme de pré-mélange qui quitte sa position d'équilibre statique apparent au sommet d'un brûleur pour remonter le courant des gaz frais et pénétrer dans le brûleur. La paroi poreuse selon l'invention, forme en effet des « micro-sections de passage », ou « nano-sections de passage » dans le cas de paroi nanoporeuse, qui permettent d'empêcher le retour de flamme dans le bruleur, en empêchant la combustion par flamme dans le matériau. The term “flashback” is understood to mean the phenomenon due to the non-stabilization of a pre-mix flame which leaves its position of apparent static equilibrium at the top of a burner to return the stream of fresh gases and enter the burner. . The porous wall according to the invention in fact forms “passage micro-sections”, or “passage nano-sections” in the case of a nanoporous wall, which make it possible to prevent the backfire in the burner, by preventing combustion by flame in the material.
Il est connu de l'art antérieur d'utiliser un matériau anti-retour de flamme afin de stopper la flamme en cas de retour. Cependant, on note que particulièrement dans le cadre de la combustion de l'hydrogène, le retour de flamme est tel que le matériau stoppant la flamme finit par s'abîmer au contact de la chaleur de la flamme. La paroi poreuse selon l'invention permet donc d'empêcher le retour de flamme, sans avoir à ajouter un matériau pour stopper la flamme qui pourra s'abîmer au fil des utilisations. It is known from the prior art to use an anti-backfire material in order to stop the flame in the event of a backfire. However, we note that particularly in the context of the combustion of hydrogen, the flashback is such that the material stopping the flame ends up being damaged in contact with the heat of the flame. The porous wall according to the invention therefore makes it possible to prevent the flashback, without having to add a material to stop the flame which may be damaged over the course of use.
Une telle paroi permet également de garder l'accroche de la flamme sur le bruleur. En effet, du fait de la structure poreuse du matériau, une multitude de passages sont disponibles, permettant une vitesse d'écoulement du pré-mélange en sortie du bruleur, inférieure à la vitesse de propagation de la flamme, la flamme reste donc « accrochée » au bruleur. Such a wall also makes it possible to keep the flame attached to the burner. Indeed, due to the porous structure of the material, a multitude of passages are available, allowing a flow speed of the premix at the outlet of the burner, lower than the propagation speed of the flame, the flame therefore remains "hooked". To the burner.
Ces deux caractéristiques, à savoir l'absence de retour de flamme et l'accroche facile de la flamme sur le bruleur, permettent d'utiliser le bruleur avec tous types de mélanges gazeux comprenant un comburant et un combustible, et cela, que le mélange soit dans des proportions stoechiométriques, ou que l'un de ses constituants soit en excès. These two characteristics, namely the absence of flashback and the easy attachment of the flame to the burner, allow the burner to be used with all types of gas mixtures comprising an oxidizer and a fuel, and that, that the mixture either in stoichiometric proportions, or that one of its constituents is in excess.
La réaction de production des oxydes d'azotes est la suivante : N2 (air) + 02 -> 2 NO lorsque la température excède 1 400 °C. The reaction to produce nitrogen oxides is as follows: N2 (air) + 02 -> 2 NO when the temperature exceeds 1400 ° C.
La paroi poreuse selon l'invention permet avantageusement de maintenir la température de combustion en dessous du seuil de formation des oxydes d'azote, limitant ainsi très fortement la production de NOx par le bruleur selon l'invention. The porous wall according to the invention advantageously makes it possible to maintain the combustion temperature below the threshold for the formation of nitrogen oxides, thus greatly limiting the production of NOx by the burner according to the invention.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite paroi microporeuse est constituée d'un ou plusieurs matériau(x) dans lequel de micropores sont obtenus par frittage du ou desdits matériau(x). Afin de faciliter la compréhension de l'invention, le terme « matériau » regroupera à la fois un ou plusieurs matériau(x). On entend par frittage au sens de l'invention la consolidation d'un matériau (par exemple une poudre), obtenue en minimisant l'énergie du système grâce à un apport d'énergie (thermique, mécanique, avec un laser...) mais sans fusion d'au moins l'un des constituants. In a preferred embodiment of the invention, said microporous wall consists of one or more material (s) in which micropores are obtained by sintering of said material (s). In order to facilitate the understanding of the invention, the term “material” will group together one or more material (s) at the same time. For the purposes of the invention, sintering is understood to mean the consolidation of a material (for example a powder), obtained by minimizing the energy of the system thanks to an input of energy (thermal, mechanical, with a laser, etc.) but without fusion of at least one of the constituents.
L'utilisation du frittage pour former les pores de la paroi permet de réaliser des pores d'un diamètre inférieur ou égal à 10 5 mètres à un coût de fabrication très faible. The use of sintering to form the pores of the wall makes it possible to produce pores with a diameter less than or equal to 10 5 meters at a very low manufacturing cost.
Dans un mode de réalisation préféré, le matériau à fritter est choisi parmi l'oxyde de silicium et l'oxyde d'alumine. In a preferred embodiment, the material to be sintered is chosen from silicon oxide and alumina oxide.
Dans un mode de réalisation encore plus préféré de l'invention, le matériau microporeux est obtenu par montée en température d'oxyde de silicium ou d'oxyde d'alumine jusqu'à obtenir une structure frittée. Il est essentiel lors de la montée en température de rester en dessous de la température de vitrification du matériau à fritter. In an even more preferred embodiment of the invention, the microporous material is obtained by raising the temperature of silicon oxide or of alumina oxide until a sintered structure is obtained. It is essential during the rise in temperature to remain below the vitrification temperature of the material to be sintered.
Dans un mode de réalisation le plus préféré, le matériau microporeux est obtenu par montée en température d'oxyde de silicium jusqu'à une température comprise entre 900 et 1000°C. In a most preferred embodiment, the microporous material is obtained by raising the temperature of silicon oxide to a temperature between 900 and 1000 ° C.
Un second objet selon l'invention concerne une chaudière comportant un ou plusieurs brûleurs selon l'invention. A second object according to the invention relates to a boiler comprising one or more burners according to the invention.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la chaudière selon l'invention est alimentée par un mélange air/hydrogène. Une telle chaudière présente l'avantage de produire uniquement de l'eau suite à la combustion de l'hydrogène. Ainsi, une telle chaudière alimentée par un mélange air/hydrogène ne produira pas de CO2. In a particular embodiment of the invention, the boiler according to the invention is supplied with an air / hydrogen mixture. Such a boiler has the advantage of producing only water following the combustion of hydrogen. Thus, such a boiler fed by an air / hydrogen mixture will not produce CO2.
Dans un mode de réalisation particulier, la chaudière selon l'invention est alimentée par un mélange d'air en excès et d'hydrogène de façon à ce qu'elle produise de l'air chaud propulsé. Une telle chaudière présente l'avantage de ne pas produire de C02 du fait de l'utilisation d'hydrogène, et de ne pas non plus produire de NOx du fait de l'utilisation d'air en excès, permettant de diminuer la température de combustion du mélange de façon à ce qu'elle soit strictement en dessous de 1400°C, température à partir de laquelle la production de NOx à lieu. Un troisième objet selon l'invention concerne une gazinière comportant un ou plusieurs brûleurs selon l'invention. In a particular embodiment, the boiler according to the invention is supplied with a mixture of excess air and hydrogen so that it produces propelled hot air. Such a boiler has the advantage of not producing C02 due to the use of hydrogen, and also not producing NOx due to the use of excess air, making it possible to reduce the temperature of combustion of the mixture so that it is strictly below 1400 ° C, the temperature from which the production of NOx takes place. A third object according to the invention relates to a gas stove comprising one or more burners according to the invention.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la gazinière selon l'invention est alimentée par un mélange air/hydrogène. Une telle gazinière présente l'avantage de produire uniquement de l'eau suite à la combustion de l'hydrogène. Ainsi, une telle chaudière alimentée par un mélange air/hydrogène ne produira pas de CO2. In a particular embodiment of the invention, the gas cooker according to the invention is supplied with an air / hydrogen mixture. Such a gas stove has the advantage of producing only water following the combustion of hydrogen. Thus, such a boiler fed by an air / hydrogen mixture will not produce CO2.
Un quatrième objet selon l'invention concerne un four comportant un ou plusieurs brûleurs selon l'invention. A fourth object according to the invention relates to an oven comprising one or more burners according to the invention.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le four selon l'invention est alimenté par un mélange air/hydrogène. Un tel four présente l'avantage de produire uniquement de l'eau suite à la combustion de l'hydrogène. Ainsi, tel four alimenté par un mélange air/hydrogène ne produira pas de CO2. In a particular embodiment of the invention, the furnace according to the invention is supplied with an air / hydrogen mixture. Such a furnace has the advantage of producing only water following the combustion of hydrogen. Thus, such a furnace fed by an air / hydrogen mixture will not produce CO2.
Exemple de réalisation Example of realization
Les figures 1 et 2 présentent un bruleur constitué d'un matériau fritté de nano particules d'oxyde de silicium (3) déposées sur une bague (2) frittée à partir de poudres microniques d'inox 316L. Figures 1 and 2 show a burner made of a sintered material of nanoparticles of silicon oxide (3) deposited on a ring (2) sintered from micron powders of 316L stainless steel.
L'ensemble forme une pièce cylindrique microporeuse solide et robuste. La flasque de raccordement (5) et le bouchon (6) sont ensuite collés à la bague (2). Le mélange stoechiométrique d'air et d'hydrogène à 50mbar relatif est injecté dans le brûleur par le tube (1) coaxial avec la pièce cylindrique microporeuse, dans une chambre (7) de forme cylindrique, dont la base communique avec le conduit d'arrivée du mélange et dont l'enveloppe est microporeuse. La flamme se forme à la surface extérieure de la bague, sans réaction catalytique avec le matériau constitutif de la bague. The whole forms a solid and robust microporous cylindrical part. The connection flange (5) and the plug (6) are then glued to the ring (2). The stoichiometric mixture of air and hydrogen at 50 mbar relative is injected into the burner through the tube (1) coaxial with the microporous cylindrical part, into a chamber (7) of cylindrical shape, the base of which communicates with the duct of arrival of the mixture and whose envelope is microporous. The flame forms on the outer surface of the ring, without catalytic reaction with the material from which the ring is made.
Cette pièce cylindrique à paroi microporeuse ou nanoporeuse est directement alimentée par un conduit délivrant un mélange stoechiométrique d'air et d'hydrogène. L'apport d'une flamme en (4) met en évidence la stabilité de la combustion avec flamme du mélange stoechiométrique d'air et d'hydrogène ainsi que la stabilité de la température en dessous des 400°C de la flasque de raccordement (5) et du bouchon (6) du bruleur. This cylindrical part with a microporous or nanoporous wall is supplied directly by a duct delivering a stoichiometric mixture of air and hydrogen. The addition of a flame in (4) demonstrates the stability of combustion with flame of the stoichiometric mixture of air and hydrogen as well as the stability of the temperature below 400 ° C of the connection flange ( 5) and the burner cap (6).
Le brûleur se présente donc sous la forme d'une tête tubulaire constituée de deux bagues cylindriques frittées coaxiales et adjacentes, dont la chambre intérieure de forme cylindrique est alimentée par un tube d'alimentation coaxiale délivrant un mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible. Les deux bagues coaxiales forment une paroi micro ou nanoporeuse. The burner is therefore in the form of a tubular head consisting of two coaxial and adjacent sintered cylindrical rings, the cylindrical inner chamber of which is supplied by a coaxial supply tube delivering a gas mixture comprising an oxidizer and a fuel. The two coaxial rings form a micro or nanoporous wall.
Application aérotherme Fan heater application
Le brûleur selon l'invention est particulièrement adapté à la réalisation d'un aérotherme. The burner according to the invention is particularly suitable for producing an air heater.
Un aérotherme comporte essentiellement un groupe motoventilateur (14) soufflant de l'air à travers une enceinte de détente en travers de laquelle s'étend un échangeur de chaleur. Ces aérothermes sont destinés à assumer le chauffage de locaux de grand volume, tels que des ateliers, sont habituellement disposés horizontalement. Autrement dit ces aérothermes produisent à leur sortie des courants d'air chaud sensiblement horizontaux et comme cet air chaud a naturellement tendance à monter, il en résulte une stratification des couches d'air du local présentant des différences de température très élevées entre le plafond du local et le sol. Une telle différence de température peut être de l'ordre de 15 à 30°C. An air heater essentially comprises a motor-fan unit (14) blowing air through an expansion chamber across which extends a heat exchanger. These unit heaters are intended for heating large-volume premises, such as workshops, and are usually arranged horizontally. In other words, these unit heaters produce substantially horizontal hot air currents at their outlet and as this hot air naturally tends to rise, the result is a stratification of the air layers in the room with very high temperature differences between the ceiling of the room. local and soil. Such a temperature difference can be of the order of 15 to 30 ° C.
Les aérothermes doivent fournir, pour une température de confort donnée à l'intérieur du local, une quantité de chaleur supérieure ou égale à la quantité de chaleur perdue. Cette perte de chaleur est de deux types à savoir d'une part une déperdition statique due aux parois et d'autre part une déperdition dynamique due au renouvellement de l'air interne. Du fait de le stratification entraînée par la montée de l'air chaud, les pertes thermiques à travers la toiture du local sont très importantes. The unit heaters must provide, for a given comfort temperature inside the room, a quantity of heat greater than or equal to the quantity of waste heat. This heat loss is of two types, namely on the one hand a static loss due to the walls and on the other hand a dynamic loss due to the renewal of the internal air. Due to the stratification caused by the rise of hot air, the thermal losses through the roof of the room are very important.
La figure 3 présente un aérotherme selon l'invention constitué d'un brûleur (1) décrit par exemple en référence aux figures précédentes 1 et 2. Ce brûleur (11) selon l'invention est positionné dans un tube échangeur (12). FIG. 3 shows an air heater according to the invention consisting of a burner (1) described for example with reference to the preceding figures 1 and 2. This burner (11) according to the invention is positioned in an exchanger tube (12).
Un mélange d'air en excès et d'hydrogène (13) à 50 mbar relatif est injecté dans le brûleur (11). Le ventilateur électrique (14) propulse l'air vers le tube échangeur (12) pour élever la température de cet air propulsé. Cet aérotherme ne comporte pas de cheminée pour l'évacuation des gaz brûlés et a un rendement calorifique à 100% pour le chauffage d'un local en produisant zéro dioxyde de carbone C02 et zéro dioxyde d'azote NOx. A mixture of excess air and hydrogen (13) at 50 mbar relative is injected into the burner (11). The electric fan (14) propels the air towards the exchanger tube (12) to raise the temperature of this propelled air. This unit heater does not have a chimney for the evacuation of the burnt gases and has a calorific efficiency at 100% for heating a room by producing zero carbon dioxide C02 and zero nitrogen dioxide NOx.
La figure 4 présente un aérotherme comme décrit dans la figure 3 et alimenté par un réservoir d'hydrogène (16) sans être connecté à toute autre source d'énergie tel que le réseau électrique. L'énergie électrique (18) est fournie par la pile hydrogène (17) qui est, elle-même, alimentée par le réservoir hydrogène (16). L'énergie électrique (18) alimente un surpresseur d'air pour fournir de l'air à 50 mbar au mélangeur air/hydrogène (20). Le mélangeur air/hydrogène (20) est aussi alimenté par le réservoir d'hydrogène (16). Alimenté par un réservoir d'hydrogène (16), l'aérotherme est autonome à 100% sans autres sources énergétiques extérieures que l'hydrogène (16). Figure 4 shows an air heater as described in Figure 3 and fed by a hydrogen tank (16) without being connected to any other energy source such as the electrical network. The electrical energy (18) is supplied by the hydrogen cell (17) which is itself supplied by the hydrogen reservoir (16). Electric power (18) feeds an air booster to supply air at 50 mbar to the air / hydrogen mixer (20). The air / hydrogen mixer (20) is also supplied by the hydrogen tank (16). Fed by a hydrogen tank (16), the air heater is 100% autonomous with no other external energy sources than hydrogen (16).
Cet aérotherme autonome à 100% peut être utilisé pour éviter les dégâts des gelées de printemps dans les vignes ou toute autre culture gélive. This 100% self-contained unit heater can be used to prevent damage from spring frosts in vines or any other frost crop.

Claims

REVENDICATIONS
1. Bruleur à flamme alimenté par un mélange gazeux comprenant un comburant et un combustible, caractérisé en ce que ledit mélange traverse avec une pression supérieure à la pression atmosphérique une paroi poreuse non catalytique, la section moyenne des porosités de ladite paroi étant inférieures à 10 5 mètres. 1. Flame burner supplied with a gas mixture comprising an oxidizer and a fuel, characterized in that said mixture passes through a non-catalytic porous wall with a pressure greater than atmospheric pressure, the average section of the porosities of said wall being less than 10 5 meters.
2. Bruleur à flamme selon la revendication 1 dans lequel l'air joue le rôle de comburant et l'hydrogène celui de combustible. 2. Flame burner according to claim 1 wherein the air plays the role of oxidizer and hydrogen that of fuel.
3. Bruleur à flamme selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel l'air joue le rôle de comburant et l'hydrogène et le méthane jouent le rôle de combustible. 3. Flame burner according to one of claims 1 or 2 wherein the air plays the role of oxidizer and the hydrogen and methane play the role of fuel.
4. Bruleur à flamme selon la revendication 1 dans lequel de l'oxygène pur joue le rôle de comburant et un ou plusieurs gaz jouent le rôle de combustible. 4. Flame burner according to claim 1 wherein pure oxygen plays the role of oxidizer and one or more gases play the role of fuel.
5. Bruleur à flamme selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux traverse, avec une pression supérieure à la pression atmosphérique, ladite paroi poreuse, la section moyenne des porosités étant nanométriques. 5. Flame burner according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said gas mixture passes through, with a pressure greater than atmospheric pressure, said porous wall, the average section of the porosities being nanometric.
6. Bruleur à flamme selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce ledit mélange est un mélange quasi-stœchiométrique. 6. Flame burner according to one of claims 1 to 5 characterized in that said mixture is a quasi-stoichiometric mixture.
7. Bruleur à flamme selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'un des composants du mélange gazeux soit en excès. 7. Flame burner according to one of claims 1 to 5 characterized in that one of the components of the gas mixture is in excess.
8. Bruleur à flamme selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend un mélangeur à effet venturi. 8. Flame burner according to one of claims 1 to 7 characterized in that it comprises a mixer with venturi effect.
9. Chaudière comportant un bruleur à flamme selon l'une des revendications 1 à 8. 9. Boiler comprising a flame burner according to one of claims 1 to 8.
10. Gazinière comportant un bruleur à flamme selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Gas stove comprising a flame burner according to one of claims 1 to 8.
11. Four comportant un bruleur à flamme selon l'une des revendications 1 à 8. 11. Oven comprising a flame burner according to one of claims 1 to 8.
12. Aérotherme comportant un bruleur à flamme selon l'une des revendications 1 à 8. 12. Unit heater comprising a flame burner according to one of claims 1 to 8.
13. Aérotherme autonome avec l'hydrogène, comportant un bruleur à flamme selon l'une des revendications 1 à 8. 13. Autonomous unit heater with hydrogen, comprising a flame burner according to one of claims 1 to 8.
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