CHAUFFAGE
Install Magazine 961 – juin 2019
Brûleur polycombustible pratique
Un brûleur pour usage simultané de biocombustibles liquides et solides
Le recours aux biocombustibles liquides et gazeux gagne en importance dans le cadre de l’utilisation des énergies durables. L’avantage d’un brûleur polycombustible est qu’il peut fonctionner avec la plupart des combustibles liquides et gazeux, qu’ils soient traditionnels ou renouvelables, y compris les gaz industriels. Le brûleur étudié est optimalisé pour l’huile végétale naturelle, estérifiée ou hydrogénée, mais il peut tout aussi bien fonctionner au mazout traditionnel. Étant donné la grande variété de combustibles et d’applications industrielles, le brûleur en question peut difficilement être proposé comme produit standard. Il est toutefois possible d’appliquer ce concept sans trop de difficultés à une situation individuelle.
Une possibilité d’application supplémentaire est la combustion des gaz industriels avec un taux élevé d’azote, comme la gazéification des boues d’épuration. Le brûleur bio-polycombustible est capable de brûler ces gaz pauvres en émissions, abstraction faite des problèmes qu’ils posent en termes de formation de NOx.
L’utilisation utile des combustibles biologiques connaît un succès croissant sur le marché de l’énergie durable. Il y a un énorme potentiel pour les sources d’énergie décentralisées, comme d’un côté, le biogaz issu des installations de fermentation, de traitement des déchets, d’épuration de l’eau ou des mines, et de l’autre, les gaz industriels issus des installations de gazéification ou de pyrolyse.
L’utilisation de gaz à faible valeur calorifique ou de combustibles liquides issus de sources renouvelables est toutefois synonyme de véritable défi pour la technique de combustion. Les faibles valeurs de combustion et une composition variable dues à l’origine biologique du combustible ont une grande influence sur la production de chaleur, la géométrie et la stabilité de la flamme, sans oublier la formation de substances nocives lors de la combustion. Des systèmes de combustion flexibles peuvent ici permettre de mettre à profit les sources de combustible biogéniques et de réduire les émissions de CO2 d’origine fossile.
Système de combustion
Dans le cadre du projet d’étude IGF, un système de combustion composé d’un évaporateur pour biomazout et d’un brûleur à flamme tourbillonnaire sans pré-mélange a été développé. Le système de combustion permet la combustion simultanée de biocombustibles liquide et gazeux à la pression atmosphérique. La conception du brûleur est basée sur le principe Costair. L’évaporateur est branché en amont du brûleur pour une alimentation continue en biomazout évaporé, sans apport d’énergie extérieur. Le processus d’évaporation est entraîné par la libération d’une partie de l’énergie chimique issue du combustible.
Évaporateur
Indépendamment des propriétés d’évaporation du biomazout en question, l’utilisation d’un pré-évaporateur entraîne une combustion plus stable et plus efficace. On utilise ici un réacteur d’évaporation qui est chauffé par une réaction exotherme du biomazout. En fonction du combustible, on obtient une flamme froide qui se stabilise par elle-même, ou bien une oxydation partielle du combustible. Dans le cas d’une réaction de flamme froide, environ 10% de l’énergie chimique est libérée. On utilise à cet effet un réacteur à recirculation en fonctionnement continu, comme le montre la figure 1.
Au moyen de la pulvérisation sous pression, le combustible est injecté dans un flux d’air qui est préchauffé à au moins 310°C. Après le démarrage de la réaction exotherme, on atteint des températures de réaction typiques jusqu’à 480°C. Le niveau de préchauffage requis et les températures finales atteintes dans le réacteur dépendent fortement du type de mazout. Les valeurs lambda typiques pour un fonctionnement stable de réacteur se situent entre λ = 0,2 - 0,4. Cette valeur est d’environ 0,13 dans des conditions de réaction particulièrement critiques.
La figure 2 montre un exemple de simulation de répartition du courant et des températures pour un fonctionnement au biomazout. Dans les zones à flux tourbillonnant stationnaire, les réactions exothermes locales se stabilisent. Une partie de la chaleur qui se libère est réacheminée avec le gaz chaud, via le tube de recirculation, vers le début du réacteur, là où le combustible s’évapore.
Brûleur
Le concept de brûleur à flamme tourbillonnante sans pré-mélange est basé sur le principe Costair, avec une régulation continue de l’air. Le dosage de l’air comburant et la mise en place de zones de recirculation pour les gaz de fumées entraînent une combustion stable avec de faibles émissions de NOx et de CO. La figure 3 montre une coupe de la structure du brûleur, dimensionné sur une puissance de 100 kW thermique.
Le brûleur se compose d’un injecteur central de distribution d’air, entouré d’un anneau d’injecteurs de combustible pour gaz à faible valeur calorifique (anneau intérieur de 0,06 m) et mazout évaporé (anneau extérieur 0,13 m). En raison de l’angle de 45° du forage, le flux de combustible s’accompagne d’un tourbillon. Tous les gaz sont acheminés vers l’arrière via quatre tubes placés les uns dans les autres. L’air comburant est acheminé via le tube intérieur (en bleu dans la figure 3). Le gaz à faible valeur calorifique (jaune) et le mazout évaporé (rouge) sont acheminés via les tubes extérieurs. Le volume compris entre les deux alimentations de combustible isole le mazout évaporé chaud du gaz à faible valeur calorifique froid, et empêche la condensation de ce mazout sur la paroi froide du tube.
La configuration de l’injection du combustible a été optimalisée pour la pression atmosphérique, à l’aide de simulations CFD dans l’ Ansys Fluent v14.5, pour un mélange plus efficace du biomazout et du gaz avec l’air comburant. Les calculs CFD (RANS, stationnaire) ont été étudiés pour divers mélanges de combustibles, pour une puissance de 100 kW et un excédent d’air de λ = 1,1.
On a utilisé le biomazout comme combustible référent, en combinaison avec différents types de gaz à faible valeur calorifique dans les rapports de volume suivants : 25/75% et 75/25%. La composition du gaz a été choisie en fonction des propriétés typiques du biogaz, du gaz d’égout, du gaz minier et du gaz produit à partir du bois. Le tableau 1 donne la composition des combustibles gazeux avec la valeur calorifique correspondante (valeur inférieure), les températures de flamme adiabatique et la vitesse d’injection du flux de gaz. Les mélanges de biogaz affichent la valeur calorifique et les températures de flamme adiabatique les plus élevées. Les deux valeurs baissent au fur et à mesure que le taux de méthane diminue.
En raison de la densité croissante, les vitesses de flux sortants augmentent pour les mélanges gaz-mazout (dans le tableau, également de la gauche vers la droite). Le gaz issu du bois possède un taux significatif en hydrogène, ainsi que la valeur calorifique la plus basse de tous les gaz étudiés. En général, 75% des mélanges de biomazout ont des valeurs calorifiques élevées. La figure 4 montre le schéma d’écoulement dans le tube de flamme pour la configuration ultime. Le champ de flux pour les injecteurs varie de manière significative en fonction de la composition du combustible. Localement, et dans une mesure limitée, des concentrations relativement élevées de CO peuvent se manifester dans le tube de flamme. Pour le biogaz, on a calculé des concentrations de CO relativement élevées, ce qui peut s’expliquer par la recirculation des gaz de fumées dans le foyer.
La figure 5 montre la répartition de la température dans le foyer pour les compositions de combustible du tableau 1. Dans les injecteurs, les températures sont à coup sûr inférieures à 1.000°C. Les mélanges de combustible avec 75% de mazout affichent en général des températures élevées. À la variante au biogaz près, on observe des températures relativement élevées au niveau de la plaque de base du brûleur.
Un étude expérimentale
Le système de combustion a été testé à une puissance constante de 100 kW avec des volumes respectifs de biomazout et gaz à faible valeur calorifique de 75/25 et 25/75%, dans un dispositif expérimental comprenant un four d’essai (dimensions intérieures de 1,2m L x 1,8 m H x 2,7 m L). L’influence de la composition du combustible et de l’excès d’air sur la formation de NOx et de CO dans les gaz de fumées a été observée. Les concentrations moyennes mesurées pour λ = 0,9 -1,7 sont présentées dans la figure 6 en fonction de l’excédent d’air. Les températures de gaz de fumées à l’ouverture de l’évacuation du four s’élevèrent entre 550°C et 600°C. Les concentrations de CO correspondent à la limite de mesure inférieure, et cela pour toutes les compositions de combustible avec un excès d’air de λ > 1,05. Les concentrations de NOx furent la plupart du temps inférieures à 100 ppm. Les valeurs les plus élevées ont été mesurées pour un excès d’air de λ = 1,05. Les concentrations de NOx varient en fonction de la composition du combustible : plus le taux de biomazout est élevé, plus les émissions de NOx sont élevées. En comparaison avec le biomazout, les concentrations de NOx étaient clairement inférieures pour l’ester méthylique d’huile de colza.
De 100 à 300 kW
Évaporateur
Les simulations informatiques démontrent qu’en utilisant de l’air préchauffé à 400°C, il se produit une évaporation quasi-totale de l’huile végétale, dans le cadre de la configuration actuelle de réacteur. Avantage de cette variante par rapport à un évaporateur classique : les dimensions compactes. Pour limiter des pertes de charge, il suffit d’agrandir les conduites d’alimentation et le distributeur dans l’évaporateur en fonction du débit d’air.
Brûleur
Une puissance de brûleur différente se traduit également par d’autres débits d’air et de combustible dans la zone de mélange. Le brûleur de 300 kW a environ les mêmes dimensions extérieures que la variante de 100 kW. La géométrie des injecteurs de gaz et du distributeur d’air a été adaptée pour une combustion optimale. Les tests en mode combi pour la puissance de 300 kW ont été réalisées de la même manière que pour la puissance de 100 kW. Les concentrations en CO et NOx sont affichées dans la figure 8. Outre les mélanges de combustible pour biomazout, ester méthylique d’huile de colza, gaz issu du bois, gaz minier, gaz d’égout et biogaz (25/75% et 75/25% puissance calorifique huile/gaz), on a aussi testé de l’HVO comme biocombustible.
Tout comme pour la variante de 100 kW, la concentration en CO se situait à la limite de mesure inférieure. Lors du test, on a volontairement fait fortement varier l’excès d’air, afin de créer des conditions presque stoechiométriques. Il faut donc supposer que la combustion est complète et stable. Pour les mélanges avec un taux d’hydrogène résiduel d’un volume de 3%, les concentrations en NOx sont inférieures à 100 ppm, et satisfont donc aux valeurs limites de la législation allemande. Aucune influence de l’azote présent dans le combustible sur la formation de NOx n’a été constatée pour les mélanges avec biomazout.
L’objectif consistant à aboutir à un brûleur industriel polycombustible autorisant un combustion propre combinée de combustibles liquides et gazeux a donc été clairement atteint.
Résumé
Un système de combustion se composant d’un évaporateur de combustible et d’un brûleur à flamme tourbillonnante sans prémélange (Costair) a été testé avec succès dans le cadre d’une combustion propre et simultanée de combustible liquide et gazeux. Dans le système en question, du biomazout est évaporé dans un réacteur à recirculation. L’énergie nécessaire à cette opération est exclusivement produite après la phase de démarrage au moyen de réactions exothermes stables du combustible (réaction de type flamme froide et oxydation partielle). Des conditions de fonctionnement stables ont été déterminées à l’aide de simulations sur ordinateur. La conception du brûleur a également été réalisée via des simulations informatiques, tout en gardant un œil sur la stabilité et la propreté du fonctionnement. Les simulations montrent une combustion stable des combinaisons 25/75 et 75/25% de biomazout et gaz à faible pouvoir calorifique, avec différents types de gaz.
Le concept de brûleur bio-polycombustible a été testé dans la pratique dans un four d’essai, tant avec du biomazout qu’avec de l’huile végétale hydrogénée et estérifiée, en combinaison avec différents types de gaz à faible valeur calorifique et avec diverses propriétés de combustion. Ces tests ont été effectués pour des puissances de 100 et 300 kW, et des valeurs lambda de λ = 0,9 jusqu’à 1,7.
Les mesures de CO et NOx ont démontré une combustion propre et stable pour toutes les combinaisons de combustible à partir de λ > 1,05.
Les auteurs expriment leur gratitude pour le soutien de l’ AiF dans le cadre du projet d’étude IGF- 18188 N “Entwicklung eines Mehrstoffbrenners zur Erzeugung industrieller Prozesswärme – Kombibrenner für flüssige und gasförmige Biobrenstoffe”.
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Par M. Röder (GWI), D. Möntmann (OWI), A. Giese (GWI), M. Grote (OWI), A. Al-Habouni (GWI), D. Diarra (OWI)
