WO2024175598A1 - System and method for producing thermal energy using metal powder as a fuel - Google Patents
System and method for producing thermal energy using metal powder as a fuel Download PDFInfo
- Publication number
- WO2024175598A1 WO2024175598A1 PCT/EP2024/054295 EP2024054295W WO2024175598A1 WO 2024175598 A1 WO2024175598 A1 WO 2024175598A1 EP 2024054295 W EP2024054295 W EP 2024054295W WO 2024175598 A1 WO2024175598 A1 WO 2024175598A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- production system
- air
- heat exchange
- combustion chamber
- downstream
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
- F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
- F23C9/003—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for pulverulent fuel
-
- 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
- F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
- F23C9/08—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for reducing temperature in combustion chamber, e.g. for protecting walls of combustion chamber
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
- F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
- F23L15/04—Arrangements of recuperators
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
- F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
- F23L7/007—Supplying oxygen or oxygen-enriched air
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
- F23B2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using solid fuels; Combustion processes therefor
- F23B2900/00003—Combustion devices specially adapted for burning metal fuels, e.g. Al or Mg
-
- 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
- F23C2202/00—Fluegas recirculation
- F23C2202/10—Premixing fluegas with fuel and combustion 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
- F23C2202/00—Fluegas recirculation
- F23C2202/30—Premixing fluegas with combustion 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
- F23C2202/00—Fluegas recirculation
- F23C2202/50—Control of recirculation rate
-
- 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
- F23C2900/09002—Specific devices inducing or forcing flue gas recirculation
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
- F23L5/00—Blast-producing apparatus before the fire
- F23L5/02—Arrangements of fans or blowers
Definitions
- the present invention relates to a system for producing thermal energy by combustion of metals, in particular for application to domestic heating or industrial buildings or installations in remote areas, as well as for applications for producing industrial heat. It also relates to a method for producing thermal energy implemented in this system.
- the mass losses in the exhaust linked to these nanoparticle emissions influence the number of cycles possible with the same quantity of material. Recovering 99% of the mass of oxides instead of 99.9% reduces by a factor of 10 the number of times that the same mass of iron can be burned and recycled.
- the main purpose of the invention is to propose a solution to reduce emissions of oxide nanoparticles.
- Another purpose of the invention is to facilitate the ignition of the flame compared to the state of the art set out in the aforementioned document which discloses ignition of the flame by means of a gas/particle premix in air.
- a recirculation loop for a first fraction of the exhaust gases from the combustion chamber having a gas sampling inlet downstream of the combustion chamber and a gas injection outlet upstream of the burner means.
- the reinjection outlet of the recirculation loop is arranged downstream of the air intake means, and more particularly between the metal particle injection means and the burner means.
- the reinjection outlet of the recirculation loop is arranged upstream of the air intake means.
- the air intake means may further advantageously comprise additional means for adjusting the air intake flow rate.
- the production system according to the invention may further comprise fan means for extracting the exhaust gases downstream of the capture means.
- the recirculation loop may advantageously include means for adjusting the recirculation flow rate, as well as fan means.
- the production system according to the invention may further comprise means for preheating the intake air upstream of its injection into the burner means, these preheating means comprising second means for heat exchange between a second fraction of the exhaust gases from the combustion chamber and the intake air.
- the first heat exchange means may advantageously comprise an enclosure surrounding the combustion chamber and arranged to circulate the transfer fluid therein. This heat exchange enclosure may also surround the filtering means.
- the transfer fluid is water injected into the first heat exchange means by means of a water pump.
- This system can be implemented in a central heating installation for a room or for heating domestic water.
- the transfer fluid is air injected into the second heat exchange means by means of fan means.
- This system can be implemented in an installation for heating the air of a room or in an installation for drying a wet product, this installation comprising a drying drum provided (i) to receive at the inlet on the one hand hot air coming from the second heat exchange means and on the other hand wet product coming from a wet product storage unit and (ii) to deliver at the outlet dried product in a recovery unit and cooled drying air.
- the transfer fluid is water vapor injected into the second heat exchange means by means of a steam pump
- the production system further comprises an air recirculation loop designed to receive cooled steam from the user equipment at the inlet and inject it at the inlet of said steam pump.
- the production system according to the invention may further comprise surplus steam in the steam recirculation loop and be implemented in a drying installation for a wet product or in an industrial system consuming heat transported by water vapor.
- the fluid is two-phase (i) in a liquid form upstream of the first heat exchange means and (ii) in a vapor form downstream of the first heat exchange means and at the inlet of the user equipment, and the production system according to the invention further comprises means for condensing the cooled vapor from the user equipment and injecting it in liquid form into the pump means.
- the condensation means cooperate with means for recovering thermal energy during condensation for the purpose of recovering the fatal heat resulting from the energy conversion.
- the user equipment may comprise a high-pressure steam turbine driving an electricity generator.
- Exhaust gas injection can be carried out downstream of a metal particle injection, or upstream of the air intake.
- FIG. 1 is a schematic representation of the water heating system of a home (sanitary and/or heating).
- FIG. 1 is a schematic representation of a home's water heating system (sanitary and/or heating) with a large exhaust gas recirculation loop.
- FIG. 1 is a schematic representation of the air heating system of a home.
- ORC Rankine cycle
- FIG. 1 is a schematic representation of the heat and electricity cogeneration system using a Rankine cycle and a heat recuperator placed at the condenser level to recover the fatal heat and maximize the total efficiency.
- a thermal energy production system of the boiler/boiler room type S1 comprises an injector 100 of metal particles, a burner 3 of metal particles to be burned in a combustion chamber 4 with fixed volume, the combustion chamber 4 being connected to a suction duct 20 of a fraction 22 of exhaust gas, which is a component of a recirculation loop 20 whose reinjection outlet is arranged downstream of the particle injector 100 and upstream of the inlet of the burner 3.
- the other fraction 23 of the exhaust gas passes through a heat exchanger 1 to heat the intake air and is extracted by the action of an extraction fan 11.
- the exhaust gases are composed of metal oxides and nitrogen (magnesium, iron or aluminium oxides depending on which of the three fuels is used), and pass through a filtration system 8 then a heat recovery block 1.
- this filtration system and this heat recovery block 1 can be nested or cascaded.
- the metal particle injector 100 may be in the form of a fluidization aerosol generator that injects the particles into an air flow with the help of a venturi system. It is also possible to use gravity injection of the particles using a vibrating funnel (or not) on an air line, the addition of a slight fluidization flow at the inlet of the funnel making it possible to avoid clogging the outlet. Another possibility is to use a worm screw, the diameter and rotation speed of which make it possible to control the precision and flow rate of powder injection into an air line receiving the latter.
- the metal burner 4 can be produced using a " swirler " (air swirler) which makes it possible to increase the air injection flow rate without worrying about the risk of blowing out the pilot flame generated by an ignition system 2.
- the principle is to have part of the air flow injected axially, and another part injected tangentially using tangential tubes or static turbines, in order to create shear and recirculation zones towards the inside of the burner 3 (depression effect within the swirl generated by the centrifugal flow) and to facilitate the stabilization of the flame.
- this aerodynamic stabilization mechanism makes it possible to create zones in the flow where the speeds are low enough to be close to those of the metal flames, thus ensuring that the flame clings to the burner. This mechanism is all the more important as the air load increases and the fuel concerned has relatively low flame speeds. Adjusting the intensity of the “swirl” allows you to manage the size of the flame and its overall morphology.
- the intake preheating system consists of a gas-gas exchanger 1 which recovers, in the main exhaust circuit, the fatal calories to transfer them into a secondary circuit (serpentine tube, or any geometry allowing to maximize the exchange surface such as plate exchangers) to the intake air sucked in by a ventilation and which goes towards the burner for the supply of oxidant.
- a gas-gas exchanger 1 which recovers, in the main exhaust circuit, the fatal calories to transfer them into a secondary circuit (serpentine tube, or any geometry allowing to maximize the exchange surface such as plate exchangers) to the intake air sucked in by a ventilation and which goes towards the burner for the supply of oxidant.
- the pilot flame can be in the form of a methane injector 2 (or propane or butane) placed in the direction of the axial flow of iron and air, which generates a diffusion flame, or in the form of a hybrid methane/iron/air flame premixed by adding methane to the axial pipe carrying the particles in the air.
- a spark activated by a remote actuator can be used to ignite the pilot flame and thus stabilize the iron flame.
- this pilot flame can be extinguished as soon as stabilization has been achieved thanks to their high-temperature homogeneous phase combustion which facilitates self-maintenance of the flame.
- the combustion system is also optimized by the addition of exhaust gas recirculation 20, largely consisting of nitrogen, through a secondary circuit to regulate the percentage of oxygen in the mixture around the iron particles.
- This secondary recirculation circuit 20 comprises a device 9 for ventilation of exhaust gas extraction and a controlled throttle valve 10 for adjusting the recirculation flow rate.
- a high oxygen concentration of the order of that of ambient air, can locally increase the reaction rate and therefore the temperature of the particles, bringing them locally above the boiling point of iron (3134 K), increasing the risk of micro-explosions of the particles (depending on the temperature and the speed of expansion of the gases formed within the particle), ultimately generating oxide nanoparticles that are very difficult to filter and regenerate into pure iron with micron particle size [ Stereoscopic high-speed imaging of iron microexplosions and nanoparticle-release, Li et al., Vol. 29, Optics Express, 2021 ].
- the exhaust gas recirculation system consists of a pipe connected to the exhaust pipe, preferably downstream of the filtration, which takes the gas consisting mainly of nitrogen (and excess oxygen in the case of combustion close to stoichiometry) using an intake ventilation followed by a recirculation flow control butterfly, in order to reinject this gas upstream of the burner or directly into the intake pipe upstream of the main ventilation (in this case, thanks to the main ventilation, the intake ventilation is no longer necessary).
- the recirculation rate can vary from 0 to more than 50% of the total injected flow (the reduction of NOx emissions reaches a plateau after 50% recirculation rate) and an oxygen concentration around 14% already allows to greatly reduce the phenomena of formation of oxide nanoparticles (but with this system the oxygen concentration in the intake can drop to 10%).
- the minimization of the effects producing the nanoparticle emissions allows to maintain the integrity of the particles throughout the cycle to avoid the intermediate processes of reforming the micrometric iron particles.
- the means 8 for capturing oxides can consist of a set of cyclones sized to allow the filtration of oxide particles ranging from microns to several hundred microns. This is a common process in the dust removal of industrial fumes. It would also be possible to implement a sedimentation chamber that uses the inertia of large particles with a diameter of between a few microns and a few hundred microns, which, subjected to gravity, will settle at the bottom of the chamber.
- the remaining nanoparticles can be filtered using a bag filter or HEPA (High Efficiency Particulate Air ) filter, or an electrostatic or electromagnetic filter accompanied by downstream suction ventilation to overcome the pressure losses generated by all the filtration elements.
- HEPA High Efficiency Particulate Air
- the energy production system S2 can be used to heat the air of a home, the water of a home (sanitary and heating water) (S1), generate steam for industry (S5), dry aggregates or any wet product (S3, S4), generate electricity in a Rankine cycle using water vapor or organic liquid (S6), or co-generate heat and electricity if the heat is recovered in the condenser (S7).
- the System S1 for producing thermal energy from a combustion of metal particles comprises means 3 for burning metal particles in a combustion chamber 4, comprising an ignition system 2 provided for generating a pilot flame, means 100 for injecting metal particles into said burner means, means 5, 6 for admitting air to be injected into the burner means 3 so as to constitute a premixture of air and metal particles, comprising fan means 5 (of the blower ventilation type) and means 6 for adjusting the air intake flow rate, means for capturing the oxidized particles in the exhaust gases, downstream of the first heat exchange means, means 11 for extracting the exhaust gases downstream of the capture means, a heat exchanger 7 between a transfer fluid and the combustion chamber 4, this transfer fluid being provided to be injected into the heat exchange means 7 via pump means 12 and to transfer a part of combustion thermal energy in user equipment 13.
- the heat exchanger 7 may be composed of a set of tubes through which the heat transfer fluid circulates, which transports the heat to the user equipment. These tubes may be located in the hot volume of the combustion chamber and the filtration or arranged around them but in contact with their walls.
- the heat transfer fluid is either distributed in several tubes arranged in parallel, or in a coil, with the aim of maximizing the heat exchange surface with the hot flow from the combustion chamber.
- the production system S1 further comprises a recirculation loop for a fraction of the exhaust gases from the combustion chamber 4, having a gas sampling inlet downstream of the combustion chamber 4 and a gas injection outlet upstream of the burner means 3.
- the production system S2 is a variant of the system S1, comprising a large recirculation loop 30 for a fraction of the exhaust gases from the combustion chamber 4, this large recirculation loop having a gas sampling inlet downstream of the combustion chamber 4, a gas injection outlet 32 upstream of the inlet of the ventilation means 5 for air intake, and optionally provided with a regulation unit 10.
- the production system S3 is a variant of the system S1 for heating air by combustion of metal particles. It comprises, instead of the exchanger 13, a gas-air exchanger 13b.
- the production system S4 is a variant of the embodiments S1-3 implemented in a drying installation for a wet product, this installation 13c comprising a drying drum 14 provided (i) to receive at the inlet on the one hand hot air coming from the second heat exchange means 7 and on the other hand wet product coming from a wet product storage unit 13c and (ii) to deliver at the outlet dried product in a recovery unit 15 and cooled drying air.
- the production system S5 is a variant of the production system S4, in which the transfer fluid is water vapor injected into the heat exchange exchanger 7 by means of a steam pump 12, this system further comprising an air recirculation loop 50 designed to receive at the inlet cooled steam from the user equipment 13c and inject it at the inlet of the steam pump 12.
- the production system S6 is a variant of the embodiments of production systems S1-S4, which allows to transfer the heat of combustion to an industrial system 13d consuming heat transported by water vapor consisting of the elements of a steam generator.
- the production system S7 is a variant of the embodiment S6, in which the transfer fluid is two-phase (i), in a liquid form upstream of the heat exchanger 7 and (ii) in a vapor form downstream of the heat exchanger 7 and at the inlet of the user equipment 17.
- This production system 7 further comprises a loop 70 for recovering the cooled vapor at the outlet of the user equipment 17, conducting it to the inlet of a condensation unit 18 and injecting it in liquid form into the pump means 15.
- the user equipment 17 includes a high-pressure steam turbine driving an electricity generator 13.
- the system S7 can use a Rankine cycle but also a thermodynamic converter of the Stirling type or even a converter of the external combustion gas turbine type, the combustion gas being heated by an exchanger the expansion gas which passes into the turbine, even if for applications of several MW, Rankine cycle type converters are more often found. (organic liquid or water vapor) for their economic profitability.
- the production system S8 is a variant of the embodiment S7, in which the condensation means 14 cooperate with equipment 19, inserted in the recovery loop 70, provided for recovering thermal energy during condensation for the purposes of recovering the fatal heat resulting from the energy conversion.
- the on-board energy production system can be used for the propulsion of mobility systems and vehicles such as ships, railway systems, spacecraft, aircraft and in particular airships.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
- Cookers (AREA)
Abstract
The invention relates to a system (S1) for producing thermal energy from the combustion of metal particles, comprising a metal particle burner in a combustion chamber (4), means (100) for injecting metal particles into the burner means, means (5, 6) for intaking air so as to form a premix of air and metal particles, means for capturing the oxidised particles in the exhaust gases, either downstream or combined with first heat exchange means, and a heat exchanger (7) for exchanging heat between a transfer fluid and the combustion chamber (4), for transferring part of the thermal energy of the combustion to a user device (13). This system further comprises a loop (20) for recirculating a first fraction (22) of the exhaust gases coming from the combustion chamber (4), the loop having a gas extraction inlet downstream of the combustion chamber (4) and a gas injection outlet upstream of the burner means (3).
Description
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.The present invention relates to a system for producing thermal energy by combustion of metals, in particular for application to domestic heating or industrial buildings or installations in remote areas, as well as for applications for producing industrial heat. It also relates to a method for producing thermal energy implemented in this system.
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.Most current heating systems (natural gas, propane, butane or fuel oil boilers) use fuels that emit CO2. In addition, the current increase in the cost of energy and the risk of shortages linked to the energy dependencies of many countries in the world are a reason for the search for a green alternative energy for residential and professional heating as well as for equipment requiring industrial heat. The use of wood for heating also presents a significant risk of deforestation if responsible and sustainable forest management is not adopted.
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.In this context, the combustion of metal particles, as detailed in the article “Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power”, Applied Energy, 2015 by J-F Bergthorson is a solution mentioned to produce combustion without CO2 emissions, for all types of energy production applications. Metallic fuels (magnesium, aluminum, iron) have the advantage of generating, during their combustion, only solid metal oxides that are easily recoverable in a combustion system. The latter can then be recycled using renewable energy through an inert anode electrolysis process or zero CO2 thermochemical reduction by solar energy.
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. The combustion of metal particles is historically known in aerospace propulsion applications or documents US8100095B2 for internal or external combustion automotive applications. In document WO2023028697A1, the proposed solution does not reduce nanometric iron oxide emissions because the oxygen concentration is not adjustable, but this concentration is critical to minimize these emissions and optimize the overall energy or material efficiency of the metal cycle [ Stereoscopic high-speed imaging of iron microexplosions and nanoparticle-release, Li et al., Vol. 29, Optics Express, 2021 ]. Indeed, the mass of nanoparticles produced implies having to spend energy to reform the micron particles a posteriori in order to reproduce the initial fuel.
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. In addition, the mass losses in the exhaust linked to these nanoparticle emissions influence the number of cycles possible with the same quantity of material. Recovering 99% of the mass of oxides instead of 99.9% reduces by a factor of 10 the number of times that the same mass of iron can be burned and recycled.
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. The main purpose of the invention is to propose a solution to reduce emissions of oxide nanoparticles. Another purpose of the invention is to facilitate the ignition of the flame compared to the state of the art set out in the aforementioned document which discloses ignition of the flame by means of a gas/particle premix in 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,
- means for burning metal particles in a combustion chamber, comprising an ignition system adapted to generate a pilot flame,
- means for injecting metal particles into said burner means,
- means for admitting air to be injected into the burner means so as to constitute a premixture of air and metal particles, comprising fan means,
- means for capturing oxidized particles in the exhaust gases, downstream or combined with first heat exchange means,
- first means of heat exchange between a transfer fluid and the combustion chamber, said transfer fluid being provided to be injected into said heat exchange means via pump means and to transfer part of the thermal combustion energy into user equipment,
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.characterized in that it further comprises a recirculation loop for a first fraction of the exhaust gases from the combustion chamber, having a gas sampling inlet downstream of the combustion chamber and a gas injection outlet upstream of the burner means.
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.In a first embodiment, the reinjection outlet of the recirculation loop is arranged downstream of the air intake means, and more particularly between the metal particle injection means and the burner means.
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.In a second embodiment, the reinjection outlet of the recirculation loop is arranged upstream of the air intake means.
Les moyens d’admission d’air peuvent en outre avantageusement comprendre des moyens supplémentaires de réglage du débit d’admission d’air.The air intake means may further advantageously comprise additional means for adjusting the air intake flow rate.
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.The production system according to the invention may further comprise fan means for extracting the exhaust gases downstream of the capture means.
La boucle de recirculation peut avantageusement comprendre des moyens de réglage du débit de recirculation, ainsi que des moyens ventilateurs.The recirculation loop may advantageously include means for adjusting the recirculation flow rate, as well as fan means.
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.In a particular version of the invention, the production system according to the invention may further comprise means for preheating the intake air upstream of its injection into the burner means, these preheating means comprising second means for heat exchange between a second fraction of the exhaust gases from the combustion chamber and the intake air.
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.The first heat exchange means may advantageously comprise an enclosure surrounding the combustion chamber and arranged to circulate the transfer fluid therein. This heat exchange enclosure may also surround the filtering means.
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.In a first family of applications of the production system according to the invention, the transfer fluid is water injected into the first heat exchange means by means of a water pump. This system can be implemented in a central heating installation for a room or for heating domestic water.
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.In a second family of applications of the production system according to the invention, the transfer fluid is air injected into the second heat exchange means by means of fan means. This system can be implemented in an installation for heating the air of a room or in an installation for drying a wet product, this installation comprising a drying drum provided (i) to receive at the inlet on the one hand hot air coming from the second heat exchange means and on the other hand wet product coming from a wet product storage unit and (ii) to deliver at the outlet dried product in a recovery unit and cooled drying air.
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.In a third family of application of the production system according to the invention, the transfer fluid is water vapor injected into the second heat exchange means by means of a steam pump, and the production system further comprises an air recirculation loop designed to receive cooled steam from the user equipment at the inlet and inject it at the inlet of said steam pump. The production system according to the invention may further comprise surplus steam in the steam recirculation loop and be implemented in a drying installation for a wet product or in an industrial system consuming heat transported by water vapor.
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.In a fourth family of applications of the invention, the fluid is two-phase (i) in a liquid form upstream of the first heat exchange means and (ii) in a vapor form downstream of the first heat exchange means and at the inlet of the user equipment, and the production system according to the invention further comprises means for condensing the cooled vapor from the user equipment and injecting it in liquid form into the pump means.
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.The condensation means cooperate with means for recovering thermal energy during condensation for the purpose of recovering the fatal heat resulting from the energy conversion. The user equipment may comprise a high-pressure steam turbine driving an electricity generator.
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,
- mixing air from an air intake and metal particles from a metal particle injection,
- inject the mixture of air and metal particles into a burner,
- burn this mixture in a combustion chamber, leading to the production of heat and exhaust gases,
- exchange the heat thus produced, via a transfer fluid, in user equipment,
- capture, from the exhaust gases, oxidized particles downstream of the burner,
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.characterized in that it further comprises a recirculation of a first fraction of the exhaust gases, said recirculation comprising a sampling downstream of the combustion chamber and an injection of said first fraction of exhaust gas upstream of the burner means.
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.Exhaust gas injection can be carried out downstream of a metal particle injection, or upstream of the air intake.
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 lesquellesOther features and advantages will appear on reading the following description of a particular, non-limiting embodiment of the invention, given with reference to the figures in which:
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.We will now describe, with reference to the above-mentioned figures, several examples of embodiments of energy production systems according to the invention. It should be noted that the components and modules common to the different examples illustrated have common references.
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. In reference to the , a thermal energy production system of the boiler/boiler room type S1 comprises an injector 100 of metal particles, a burner 3 of metal particles to be burned in a combustion chamber 4 with fixed volume, the combustion chamber 4 being connected to a suction duct 20 of a fraction 22 of exhaust gas, which is a component of a recirculation loop 20 whose reinjection outlet is arranged downstream of the particle injector 100 and upstream of the inlet of the burner 3. The other fraction 23 of the exhaust gas passes through a heat exchanger 1 to heat the intake air and is extracted by the action of an extraction fan 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.The exhaust gases are composed of metal oxides and nitrogen (magnesium, iron or aluminium oxides depending on which of the three fuels is used), and pass through a filtration system 8 then a heat recovery block 1.
Il est à noter que ce système de filtration et ce bloc de récupération de chaleur 1 peuvent être imbriqués ou en cascade.It should be noted that this filtration system and this heat recovery block 1 can be nested or cascaded.
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. The metal particle injector 100 may be in the form of a fluidization aerosol generator that injects the particles into an air flow with the help of a venturi system. It is also possible to use gravity injection of the particles using a vibrating funnel (or not) on an air line, the addition of a slight fluidization flow at the inlet of the funnel making it possible to avoid clogging the outlet. Another possibility is to use a worm screw, the diameter and rotation speed of which make it possible to control the precision and flow rate of powder injection into an air line receiving the latter.
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.The metal burner 4 can be produced using a " swirler " (air swirler) which makes it possible to increase the air injection flow rate without worrying about the risk of blowing out the pilot flame generated by an ignition system 2. The principle is to have part of the air flow injected axially, and another part injected tangentially using tangential tubes or static turbines, in order to create shear and recirculation zones towards the inside of the burner 3 (depression effect within the swirl generated by the centrifugal flow) and to facilitate the stabilization of the flame. Indeed, this aerodynamic stabilization mechanism makes it possible to create zones in the flow where the speeds are low enough to be close to those of the metal flames, thus ensuring that the flame clings to the burner. This mechanism is all the more important as the air load increases and the fuel concerned has relatively low flame speeds. Adjusting the intensity of the “swirl” allows you to manage the size of the flame and its overall morphology.
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.In order to achieve continuous stabilization of the metal flame, when using iron powder only, it is possible to preheat the combustion air entering the system. In order to reduce the use of natural gas by a pilot flame that supplements the heat released per unit volume during the combustion of iron and facilitates its ignition, it may be interesting to add a preheating block 1 of the intake air by recovering the fatal heat from the system exhaust. The iron flame is in fact more difficult to stabilize than those of magnesium or aluminum, due to its low reaction rate linked to its combustion in heterogeneous mode and the layer of oxides around the particles that greatly reduce the heat release rate and therefore the reaction temperature.
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. This penalizes the stabilization of the flame which is thus disturbed by losses by convection and radiation. The contribution of heat via that contained in the exhaust gases thus makes it possible to increase the overall energy efficiency, and to reduce the quantity of gas in the gas pilot flame and therefore CO2 emissions.
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. The intake preheating system consists of a gas-gas exchanger 1 which recovers, in the main exhaust circuit, the fatal calories to transfer them into a secondary circuit (serpentine tube, or any geometry allowing to maximize the exchange surface such as plate exchangers) to the intake air sucked in by a ventilation and which goes towards the burner for the supply of oxidant.
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.The pilot flame can be in the form of a methane injector 2 (or propane or butane) placed in the direction of the axial flow of iron and air, which generates a diffusion flame, or in the form of a hybrid methane/iron/air flame premixed by adding methane to the axial pipe carrying the particles in the air. A spark activated by a remote actuator can be used to ignite the pilot flame and thus stabilize the iron flame. In the case of aluminum or magnesium, this pilot flame can be extinguished as soon as stabilization has been achieved thanks to their high-temperature homogeneous phase combustion which facilitates self-maintenance of the flame.
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. The combustion system is also optimized by the addition of exhaust gas recirculation 20, largely consisting of nitrogen, through a secondary circuit to regulate the percentage of oxygen in the mixture around the iron particles.
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.This secondary recirculation circuit 20 comprises a device 9 for ventilation of exhaust gas extraction and a controlled throttle valve 10 for adjusting the recirculation flow rate.
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]. A high oxygen concentration, of the order of that of ambient air, can locally increase the reaction rate and therefore the temperature of the particles, bringing them locally above the boiling point of iron (3134 K), increasing the risk of micro-explosions of the particles (depending on the temperature and the speed of expansion of the gases formed within the particle), ultimately generating oxide nanoparticles that are very difficult to filter and regenerate into pure iron with micron particle size [ 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]. This is problematic in the context of using iron as a circular fuel. Recirculating the exhaust gases to lower the oxygen concentration by up to 14% can significantly reduce the appearance of oxide nanoparticle clouds by reducing the reaction temperature and therefore that of the particles. The latter leads to a strong decrease in the saturation vapor pressure of the metal, thus significantly reducing its evaporation [ 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. Since oxygen concentration plays a predominant role in overall richness for fuel-lean mixtures, richness gains importance on oxygen transport and therefore on reaction temperature for richnesses closer to stoichiometry. In order to avoid deposits of unburned metal particles, an overall richness below stoichiometry is necessary. Thermal losses by radiation are also greater with the sharp increase in the temperature of these particles, which also disadvantages stabilization and causes a sharp increase in NOx emissions.
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). A more common effect in the context of exhaust gas recirculation applied to combustion is the reduction of thermal nitrogen oxide emissions by lowering the combustion temperature (Zeldovich mechanism).
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). The exhaust gas recirculation system consists of a pipe connected to the exhaust pipe, preferably downstream of the filtration, which takes the gas consisting mainly of nitrogen (and excess oxygen in the case of combustion close to stoichiometry) using an intake ventilation followed by a recirculation flow control butterfly, in order to reinject this gas upstream of the burner or directly into the intake pipe upstream of the main ventilation (in this case, thanks to the main ventilation, the intake ventilation is no longer necessary).
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. The recirculation rate can vary from 0 to more than 50% of the total injected flow (the reduction of NOx emissions reaches a plateau after 50% recirculation rate) and an oxygen concentration around 14% already allows to greatly reduce the phenomena of formation of oxide nanoparticles (but with this system the oxygen concentration in the intake can drop to 10%). Thus, in the context of a circular energy application, where the goal is to regenerate the initial iron particles from the oxides, the minimization of the effects producing the nanoparticle emissions allows to maintain the integrity of the particles throughout the cycle to avoid the intermediate processes of reforming the micrometric iron particles.
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.The means 8 for capturing oxides can consist of a set of cyclones sized to allow the filtration of oxide particles ranging from microns to several hundred microns. This is a common process in the dust removal of industrial fumes. It would also be possible to implement a sedimentation chamber that uses the inertia of large particles with a diameter of between a few microns and a few hundred microns, which, subjected to gravity, will settle at the bottom of the chamber.
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.The remaining nanoparticles can be filtered using a bag filter or HEPA ( High Efficiency Particulate Air ) filter, or an electrostatic or electromagnetic filter accompanied by downstream suction ventilation to overcome the pressure losses generated by all the filtration elements.
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).The energy production system S2 according to the invention can be used to heat the air of a home, the water of a home (sanitary and heating water) (S1), generate steam for industry (S5), dry aggregates or any wet product (S3, S4), generate electricity in a Rankine cycle using water vapor or organic liquid (S6), or co-generate heat and electricity if the heat is recovered in the condenser (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.The System S1 for producing thermal energy from a combustion of metal particles, comprises means 3 for burning metal particles in a combustion chamber 4, comprising an ignition system 2 provided for generating a pilot flame, means 100 for injecting metal particles into said burner means, means 5, 6 for admitting air to be injected into the burner means 3 so as to constitute a premixture of air and metal particles, comprising fan means 5 (of the blower ventilation type) and means 6 for adjusting the air intake flow rate, means for capturing the oxidized particles in the exhaust gases, downstream of the first heat exchange means, means 11 for extracting the exhaust gases downstream of the capture means, a heat exchanger 7 between a transfer fluid and the combustion chamber 4, this transfer fluid being provided to be injected into the heat exchange means 7 via pump means 12 and to transfer a part of combustion thermal energy in user equipment 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. The heat exchanger 7 may be composed of a set of tubes through which the heat transfer fluid circulates, which transports the heat to the user equipment. These tubes may be located in the hot volume of the combustion chamber and the filtration or arranged around them but in contact with their walls. The heat transfer fluid is either distributed in several tubes arranged in parallel, or in a coil, with the aim of maximizing the heat exchange surface with the hot flow from the combustion chamber.
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.The production system S1 further comprises a recirculation loop for a fraction of the exhaust gases from the combustion chamber 4, having a gas sampling inlet downstream of the combustion chamber 4 and a gas injection outlet upstream of the burner means 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.In reference to the , The production system S2 is a variant of the system S1, comprising a large recirculation loop 30 for a fraction of the exhaust gases from the combustion chamber 4, this large recirculation loop having a gas sampling inlet downstream of the combustion chamber 4, a gas injection outlet 32 upstream of the inlet of the ventilation means 5 for air intake, and optionally provided with a regulation unit 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.In reference to the , the production system S3 is a variant of the system S1 for heating air by combustion of metal particles. It comprises, instead of the exchanger 13, a gas-air exchanger 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.In reference to the , the production system S4 is a variant of the embodiments S1-3 implemented in a drying installation for a wet product, this installation 13c comprising a drying drum 14 provided (i) to receive at the inlet on the one hand hot air coming from the second heat exchange means 7 and on the other hand wet product coming from a wet product storage unit 13c and (ii) to deliver at the outlet dried product in a recovery unit 15 and cooled drying air.
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.In reference to the , the production system S5 is a variant of the production system S4, in which the transfer fluid is water vapor injected into the heat exchange exchanger 7 by means of a steam pump 12, this system further comprising an air recirculation loop 50 designed to receive at the inlet cooled steam from the user equipment 13c and inject it at the inlet of the steam pump 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.In reference to the , the production system S6 is a variant of the embodiments of production systems S1-S4, which allows to transfer the heat of combustion to an industrial system 13d consuming heat transported by water vapor consisting of the elements of a steam generator.
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.In reference to the , the production system S7 is a variant of the embodiment S6, in which the transfer fluid is two-phase (i), in a liquid form upstream of the heat exchanger 7 and (ii) in a vapor form downstream of the heat exchanger 7 and at the inlet of the user equipment 17. This production system 7 further comprises a loop 70 for recovering the cooled vapor at the outlet of the user equipment 17, conducting it to the inlet of a condensation unit 18 and injecting it in liquid form into the pump means 15. The user equipment 17 includes a high-pressure steam turbine driving an electricity generator 13. The system S7 can use a Rankine cycle but also a thermodynamic converter of the Stirling type or even a converter of the external combustion gas turbine type, the combustion gas being heated by an exchanger the expansion gas which passes into the turbine, even if for applications of several MW, Rankine cycle type converters are more often found. (organic liquid or water vapor) for their economic profitability.
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.In reference to the , the production system S8 is a variant of the embodiment S7, in which the condensation means 14 cooperate with equipment 19, inserted in the recovery loop 70, provided for recovering thermal energy during condensation for the purposes of recovering the fatal heat resulting from the energy conversion.
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.Of course, the present invention is not limited to the examples that have just been described and many other embodiments can be envisaged without departing from the scope of the present invention. In particular, the on-board energy production system can be used for the propulsion of mobility systems and vehicles such as ships, railway systems, spacecraft, aircraft and in particular airships.
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.Furthermore, it is possible to envisage the implementation of thermal energy production systems according to the invention on the moon, by exploiting metallic particles and oxygen resulting from a process of reduction of the regolith covering its soil.
Claims (26)
- 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),
- means (3) for burning metal particles in a combustion chamber (4), comprising an ignition system (2) provided for generating a pilot flame,
- means (100) for injecting metal particles into said burner means,
- means (5,6) for admitting air to be injected into the burner means (3) so as to constitute a pre-mixture of air and metal particles, comprising fan means (5),
- means (8) for capturing oxidized particles in the exhaust gases, downstream or combined with first heat exchange means,
- first means (7) for heat exchange between a transfer fluid and the combustion chamber (4), said transfer fluid being provided to be injected into said heat exchange means (7) via pump means (12) and to transfer part of the thermal combustion energy into user equipment (13, 13b, 13c, 13d, 17),
- 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.Production system (S1) according to the preceding claim, characterized in that the reinjection outlet of the recirculation loop is arranged downstream of the air intake means.
- Système de production (S1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la boucle de recirculation (20) comprend en outre des moyens ventilateurs (9).Production system (S1) according to the preceding claim, characterized in that the recirculation loop (20) further comprises fan means (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).Production system (S2) according to claim 1, characterized in that the reinjection outlet of the recirculation loop is arranged upstream of the air intake means (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.Production system according to any one of the preceding claims, characterized in that the air intake means further comprise additional means (6) for adjusting the air intake flow rate.
- 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.Production system according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises fan means (11) for extracting the exhaust gases downstream of the capture means.
- 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.Production system according to any one of the preceding claims, characterized in that the recirculation loop (20, 30) comprises means (10) for adjusting the recirculation flow rate.
- 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),Production system (S1-S8) according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises means for preheating the intake air upstream of its injection into the burner means, said preheating means comprising second means for heat exchange (21) between a second fraction (23) of the exhaust gases from the combustion chamber and the intake air (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.Production system (S1-S8) according to one of the preceding claims, characterized in that the first heat exchange means (7) comprise an enclosure surrounding the combustion chamber (4) and arranged to circulate the transfer fluid therein.
- 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).Production system (S1-S8) according to the preceding claim, characterized in that the heat exchange enclosure (7) also surrounds the oxide capture means (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).Production system (S1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the transfer fluid is water injected into the first heat exchange means (7) by means of a water pump (12).
- Système de production (S1) selon la revendication précédente, mis en œuvre dans une installation de chauffage central d’un local (13).Production system (S1) according to the preceding claim, implemented in a central heating installation of a room (13).
- Système de production (S1) selon l’une des deux revendications précédentes, mis en œuvre dans une installation de chauffage d’eau sanitaire (13).Production system (S1) according to one of the two preceding claims, implemented in a domestic water heating installation (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).Production system (S3) according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the transfer fluid is air injected into the second heat exchange means (7) by means of fan means (12).
- Système de production (S3) selon la revendication précédente, mis en œuvre dans une installation (13b) de chauffage de l’air d’un local.Production system (S3) according to the preceding claim, implemented in an installation (13b) for heating the air of a room.
- 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.Production system (S4) according to claim 14, implemented in a drying installation for a wet product, said installation (13c) comprising a drying drum (14) provided (i) to receive at the inlet on the one hand hot air coming from the second heat exchange means (7) and on the other hand wet product coming from a wet product storage unit (13c) and (ii) to deliver at the outlet dried product in a recovery unit (15) and cooled drying air.
- 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).Production system (S5) according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the transfer fluid is water vapor injected into the second heat exchange means (7) by means of a steam pump (12), and in that it further comprises a recirculation loop designed to receive at the inlet cooled steam from the user equipment (13c) and inject it at the inlet of said steam pump (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.Production system (S5) according to the preceding claim, characterized in that it further comprises means for evacuating excess steam into the steam recirculation loop.
- Système de production (S5) selon l’une des deux revendications précédentes, mis en œuvre dans une installation de séchage d’un produit humide.Production system (S5) according to one of the two preceding claims, implemented in a drying installation for a wet product.
- 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.Production system (S6) according to one of claims 17 or 18, implemented in an industrial system (13d) consuming heat transported by water vapor.
- 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).Production system (S7, S8) according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the fluid is two-phase (i) in a liquid form upstream of the first heat exchange means (7) and (ii) in a vapor form downstream of the first heat exchange means (7) and at the inlet of the user equipment (17), and in that it further comprises means (18, 19) for condensing the cooled vapor from the user equipment (17) and injecting it in liquid form into the pump means (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.Production system (S8) according to the preceding claim, characterized in that the condensation means (19) cooperate with means for recovering thermal energy during condensation for the purpose of recovering the fatal heat resulting from the energy conversion.
- 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).Production system (S7, S8) according to one of the two preceding claims, characterized in that the user equipment comprises a high-pressure steam turbine (17) driving an electricity generator (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),
- mixing air from an air intake and metal particles from a metal particle injection,
- inject the mixture of air and metal particles into a burner (3),
- burn this mixture in a combustion chamber (4), leading to the production of heat and exhaust gases,
- exchange the heat thus produced, via a transfer fluid, in user equipment (13,13b, 13c,13d,12),
- capture, from the exhaust gases, oxidized particles downstream of the burner (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.Production method (S1) according to the preceding claim, characterized in that the injection of exhaust gas is carried out downstream of the air intake.
- 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.Production method (S2) according to claim 24, characterized in that the injection of exhaust gas is carried out upstream of the air intake.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR2301525A FR3145968A1 (en) | 2023-02-20 | 2023-02-20 | DOMESTIC OR RESIDENTIAL HEATING UNIT (BOILER ROOM) USING METAL POWDER AS FUEL (Iron and/or Aluminum and/or Magnesium) |
FRFR2301525 | 2023-02-20 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2024175598A1 true WO2024175598A1 (en) | 2024-08-29 |
Family
ID=90014492
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/EP2024/054295 WO2024175598A1 (en) | 2023-02-20 | 2024-02-20 | System and method for producing thermal energy using metal powder as a fuel |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
FR (2) | FR3145968A1 (en) |
WO (1) | WO2024175598A1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100077946A1 (en) * | 2008-09-26 | 2010-04-01 | Air Products And Chemicals, Inc. | Process temperature control in oxy/fuel combustion system |
US8100095B2 (en) | 2006-11-17 | 2012-01-24 | Mcknight James K | Combustion devices for powdered fuels and powdered fuel dispersions |
US20170089569A1 (en) * | 2014-05-20 | 2017-03-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Method For The Combustion Of An Alloy Of An Electropositive Metal |
US20220379280A1 (en) * | 2020-02-20 | 2022-12-01 | Doosan Lentjes Gmbh | Method for operating a fluidized bed apparatus and fluidized bed apparatus |
WO2023028697A1 (en) | 2021-09-01 | 2023-03-09 | The Royal Institution For The Advancement Of Learning / Mcgill University | System for self-sustaining combustion of iron particles and method thereof |
-
2023
- 2023-02-20 FR FR2301525A patent/FR3145968A1/en active Pending
-
2024
- 2024-02-20 FR FR2401662A patent/FR3145967B3/en active Active
- 2024-02-20 WO PCT/EP2024/054295 patent/WO2024175598A1/en unknown
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8100095B2 (en) | 2006-11-17 | 2012-01-24 | Mcknight James K | Combustion devices for powdered fuels and powdered fuel dispersions |
US20100077946A1 (en) * | 2008-09-26 | 2010-04-01 | Air Products And Chemicals, Inc. | Process temperature control in oxy/fuel combustion system |
US20170089569A1 (en) * | 2014-05-20 | 2017-03-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Method For The Combustion Of An Alloy Of An Electropositive Metal |
US20220379280A1 (en) * | 2020-02-20 | 2022-12-01 | Doosan Lentjes Gmbh | Method for operating a fluidized bed apparatus and fluidized bed apparatus |
WO2023028697A1 (en) | 2021-09-01 | 2023-03-09 | The Royal Institution For The Advancement Of Learning / Mcgill University | System for self-sustaining combustion of iron particles and method thereof |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
LI ET AL.: "Stereoscopic high-speed imaging of iron microexplosions and nanoparticle-release", OPTICS EXPRESS, vol. 29, 2021 |
NING ET AL.: "Critical tem-perature for nanoparticle cloud formation during combustion of single micron-sized iron particle", COMBUSTION AND FLAME, vol. 244, 2022 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR3145968A1 (en) | 2024-08-23 |
FR3145967B3 (en) | 2025-02-28 |
FR3145967A3 (en) | 2024-08-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US12123345B2 (en) | System and method for high efficiency power generation using a carbon dioxide circulating working fluid | |
JP6105098B2 (en) | System and method for high-efficiency power generation using carbon dioxide circulating working fluid | |
JP5923505B2 (en) | Apparatus and related systems for burning fuel at high pressures and temperatures | |
WO2014207391A1 (en) | Direct-fired heating method and facility for implementing same | |
FR2576968A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR OPERATING A POWER PLANT | |
WO2024175598A1 (en) | System and method for producing thermal energy using metal powder as a fuel | |
EP2960593A1 (en) | System for heating a gas flow and installation using such a system | |
EP1247046B1 (en) | Method and device for the autocombustion of oily organic waste, comprising a tangential heating furnace | |
FR2872887A1 (en) | HOMOGENEOUS COMBUSTION METHOD AND THERMAL GENERATOR USING SUCH A METHOD | |
FR2825448A1 (en) | THERMAL GENERATOR FOR LIMITING EMISSIONS OF NITROGEN OXIDES BY RECOMBUSTION OF FUMES AND METHOD FOR IMPLEMENTING SUCH A GENERATOR | |
WO2004079260A1 (en) | Steam generator comprising successive combustion chambers | |
WO2006016042A1 (en) | Method for generating water vapour adapted to oxycombustion | |
NL2031419B1 (en) | Burner process for iron fuel combustion arrangement | |
EP3472517B1 (en) | Combustion process | |
FR3007829A1 (en) | HEATING METHOD WITH GENERATION AND COMBUSTION OF SYNGAZ AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION | |
FR2937329A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING THE TEMPERATURE OF COMBUSTION FUMEES OF A THERMOLYSIS PROCESS | |
BE512210A (en) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 24706724 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |