Brevet FR2458748A1 — publié le 19810102

- 1. - 22458748 Procédé de combustion d'un carburant avec faible émission d'oxydes d'azote. La présente invention concerne un procédé permettant d'effectuer une combustion dans un appareil à combustion de carburant pulvérisé tel qu'une chaudière ou un four à combustion en brûlant du charbon pulvérisé avec faible émission d'oxydes d'azote (désignés ci-après pour plus de simplicité sous le nom de "NOx"). Bien qu'un certain nombre de dispositifs aient été proposés jusqu'à présent pour maîtriser les émissions de NOx produites par la combustion de carburants, on s'est plus récemment inté- ressé à des procédés de combustion mettant en jeu les tendances à dimi- nuer l'émission de NOx que présentent des carburants gazeux et liqui- des. A titre d'exemple, la Fig. 1 représente un système type basé sur cette idée générale et introduit lors du 14ème Symposium International sur la Combustion, en 1972. Dans cette figure, un combusteur 1 est équi- pé d'un brûleur 2 alimenté par un tube d'entrée 3, en air A et en mé- thane C ein tant que carburant gazeux, de telle façon que le mélange ga- zeux produit soit brûlé sous forme d'une flamme F à l'extrémité ouverte du brûleur 2. Le carburant gazeux constitué par le méthane C est en outre amené par un tube 4 à l'intérieur du four en un point situé en aval de la flamme F. puis est introduit sous pression par les orifices 5 pratiqués dans l'extrémité intérieure du tube, pour être mélangé au gaz de combustion. Cette addition de carburant provoque une nouvelle com- bustion du gaz de combustion, le résultat de cette nouvelle combustion sortant du combusteur sous forme du gaz d'échappement G. Il a été con- firmé que cette méthode conduisait à une diminution d'environ 50 % de la quantité de NOx thermique produit par la flamme F par recombustion avec un apport supplémentaire de méthane C. Par contre, aucune étude n'a été entre- prise en ce qui concerne le charbon et l'art antérieur ne fait pas men- tion de procédés et de dispositifs de régulation de l'émission de NOx produite par combustion de ce carburant solide. L'invention a pour objet de fournir un procédé de combustion permettant de diminuer la teneur en NOx des gaz de combustion résultant de la combustion d'un carburant pulvérisé et en particulier, du charbon finement divisé. - 2 - 2458748 Sur la base de sa découverte selon la- quelle le charbon pulvérisé présente également un effet de diminution des émissions de NOx, la demanderesse propose d'introduire du charbon pulvérisé en tant qu'apport supplémentaire de carburant dans un gaz de combustion et d'utiliser un gaz inerte ou à faible teneur en oxygène en tant que gaz porteur (fluide de transport) pour souffler le carburant dans la flamme. La demanderesse a également découvert que pour permettre au charbon pulvérisé d'exercer pleinement son effet de diminution des émissions de NOx, il était souhaitable d'utiliser des conditions telles qu'il reste une certaine proportion de charbon n'ayant pas brûlé après recombustion. En conséquence, elle propose l'introduction supplémentaire d'oxygène ou d'air une fois l'action de diminution de la teneur en NOx pratiquement achevée, pour compléter la combustion du carburant n'ayant pas brûlé. Ce but, ainsi que d'autres, les caracté- ristiques et les avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, en association avec les dessins an- nexés, dans lesquels: - la Fig. 1 est une représentation schéma- tique d'un système de combustion:classique à faible émission d'oxydes à azote; - la Fig. 2 est une représentation schéma- tique d'un appareil permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'inven- tion. Selon la Fig. 2, cet appareil comporte un four cylindrique horizontal 11,(d'un mètre de diamètre et de 18 mètres de longueur), une cheminée 12, un brûleur 13 de charbon pulvérisé, des trémies 14 et 21, des dispositifs d'alimentation 15 et 22 permettant de fournir respectivement du charbon pulvérisé Cl et C2. Une soufflante 16 d'alimentation en charbon à tirage forcé permet de fournir de l'air pri- maire AI en même temps que du charbon, par l'intermédiaire d'une canali- sation 17. Il est également prévu une soufflante à tirage forcé 18 ser- vant à introduire de l'air secondaire A2 et de l'air tertiaire A3 par une canalisation 19, un injecteur 20 pour injecter l'air tertiaire, une canalisation 23, un éjecteur 24, une bouteille d'azote 25 et une -3 -2458748 bouteille d'oxygène 26, des vannes de réglage de débit 27 et 28, un injecteur 29 pour une injection supplémentaire de charbon pulvérisé, un orifice d'alimentation en gaz 30, un appareil de mesure de la con- centration en NOx 31, un appareil 32 de mesure de la concentration en 2 et un appareil de mesure 33 de la concentration en CO. La référence F représente la flamme for- mée par le brûleur de charbon pulvérisé 13, GO représente le gaz de.. combustion presque au stade final de la combustion, Gi est le gaz après recombustion avec le charbon pulvérisé introduit en tant que carburant supplémentaire et G2 est le gaz d'échappement produit après combustion complète du mélange non brûlé, avec l'air tertiaire injecté par l'in- jecteur d'air tertiaire 20. Dans l'appareil du type décrit ici, le charbon pulvérisé Cl provenant du dispositif d'alimentation 15 est trans- porté par l'air primaire Ai servant de gaz porteur et est introduit par la soufflante à tirage forcé 16 d'alimentation en charbon dans-le brû- leur principal 13 o il est mélangé à l'air secondaire A2 provenant de la soufflante 18. Il se produit alors une combustion du mélange donnant naissance à la flamme F. Une quantité supplémentaire de carburant cons- titué par du charbon pulvérisé C2 fournie par le dispositif d'alimenta- tion 22 est injectée dans le four par l'injecteur 29, dans la partie du gaz de combustion GO se trouvant à l'extrémité de la flamme, le carbu- rant étant entraîné depuis l'éjecteur 24 par le gaz porteur constitué par le N2 et le 02 fournis par les bouteilles 25 et 26. On ajuste les débits de ces gaz et on les mélange selon un rapport N2:02 prédéterminé au moyen des vannes 27 et 28. Il se produit alors une recombustion avec le carburant supplémentaire constitué par le charbon pulvérisé C2 et le gaz de combustion produit Gi s'écoule en aval o l'air tertiaire A3 est injecté par l'injecteur 20 en vue d'une combustion complète des consti- tuants non brûlés du gaz Gi. Une fois la combustion achevée, le gaz de combustion G2 est évacué par la cheminée 12 dans l'atmosphère. Une par- tie du gaz de combustion est entraînée par aspiration par l'orifice d'échantillonnage 30 et ses teneurs en NOx, 02 et CO sont respective- ment mesurées par les appareils de mesure de la concentration en NOx, 02 et CO, 31, 32 et 33. - 3 - 4 2 148t48 Contrairement à la formation de la flamme de combustion F produite par le brûleur 13 selon un procédé classique de combustion du charbon pulvérisé, le processus consistant à mélanger un carburant supplémentaire constitué par le charbon pulvérisé C2 au mé- lange gazeux N2 02 fourni par l'éjecteur 24 et l'injecteur 29 et à effectuer la recombustion dans la zone située en aval de la flamme F, fait l'objet de la présente invention. Cette méthode permet de réduire de moitié la quantité de NOx produite par la flamme F par recombustion avec le charbon pulvérisé C2 utilisé comme carburant supplémentaire. Cet effet a été mis en évidence à la suite d'expériences menées confor- mément à l'invention. Il a également été confirmé que l'effet de dimi- nution de la teneur en NOx dépend dans une large mesure de la composi- tion du gaz porteur qui entraîne le carburant supplémentaire constitué par le charbon pulvérisé C2. Les résultats des principaux essais effec- tués avec l'appareil de l'invention sont rassemblés dans le Tableau 1, (voir page 6). Ces essais ont été réalisés en effectuant la combustion de charbon pulvérisé au moyen de brûleur 13 à un débit de 89 kg/h. Ce tableau met clairement en évidence l'effet de la diminution de la teneur en NOx obtenu en utilisant un apport supplémentaire de charbon pulvérisé C2. Les essais numéros Tr-lét.T-2-ont consisté à effec- tuer la combustion ordinaire de charbon pulvérisé au moyen du brûleur 13 en utilisant seulement l'air primaire Ai et l'air secondaire A2. Au- contraire, les essais numéros T-3 et T-4 ont mis en jeu l'apport d'une quantité supplémentaire de carburant constituée par du charbon pulvérisé C2, le gaz porteur étant constitué par 100 % de N2. Si l'on compare les essais numéros T-1 et T-3, on constate un abaissement de la teneur en NOx de 181 ppm à 118 ppm dans l'essai T-3 et dans le cas des essais numéros T-2 et T-4, de 148 ppm à 53 ppm. Ces résultats mettent en évi- dence l'effet de diminution de la teneur en NOx produit par l'addition de charbon pulvérisé C2. Il ressort en outre de la comparaison des es- sais numéros T-3 et T-4 que les conditions dans lesquelles la combustion est produite par le brûleur 13 sont telles que l'effet est d'autant plus avantageux que la teneur en 02 du gaz de combustion GO est faible. Ce- pendant, il est à noter que dans l'essai T-4 o cet effet est très sen- sible, il reste d'importantes quantités de constituants non brûlés tels que CO. -5- Dans le but d'atteindre la combustion com- plète des substances non brûlées, l'utilisation d'air tertiaire A3 a été incorporée aux conditions de l'essai 4. L'essai ainsi réalisé constitue l'essai T-5. Ses résultats ont été satisfaisants, la teneur en NOx étant maintenue pratiquement égale à celle de l'essai T-4, et. le CO ayant en outre pratiquement disparu. On a également effectué des essais en uti- lisant de l'oxygène en plus du gaz inerte N2 comme gaz porteur. Les ré- sultats sont rassemblés en T-6 à t-10. Il ressort de ces résultats que l'effet de diminution de la teneur en NOx augmente en proportion in- verse de la concentration en 02 dans le gaz porteur. Dans l'essai T-10 o le gaz porteur contient 21 % d'oxygène (comme l'air ordinaire), la' teneur en NOx est plus élevée que celle de T-2, montrant que dans ce cas, l'effet produit par l'addition de charbon pulvérisé n'est pas in- téressant. Par conséquent, il est préférable que la teneur en O du gaz porteur ne dépasse pas 10 % et mieux encore, 5 %. En résumé, il a été trouvé que les condi- tions utilisées dans les essais numéros T-5 à T-7 sont les plus satis- faisantes, que les conditions de l'essai numéro T-4 produisent la plus faible concentration en NOx, bien que la teneur en CO soit élevée, et que les conditions des essais T-3 et T-8 correspondent globalement à celles de T-4 à T-8. Tableau 1 Brûleur principal Injecteur Injecteur Gaz de combustion (13) (29) (20) évacué ESSAI Debit du Débits d'air Addition d Gaz porteur Débit d'air Teneur Teneur Teneur charbon pul primaire et charbon pulCom % tertiaire en en en numero: vérisé (C1) econtdaire vérisé (C2) Débit Comp. % (A3) NOx 02 CO (kg/h) (kg/h) (kg/h) (kg/h) 02 N2 (kg/h) (ppm) (%) (ppm) T-1 89 985 0 0 - 0 181 4,2 0 T-2 89 866 0 0 - - 0 148 1,9 600 T-3 89 985 8 14 0 100 0 118 2,2 800 T-4 89 866 8 14 0 100 0 53 0,3 >5000 T-5 89 866 8 14 0 100 200 58 4,0 30 T-6 89 866 8 14 2 98 200 64 4,0 20 T-7 89 866 8 14 5 95 200 87 4,0 10 T-8 89 866 8 14 10 90, 200 128 4,1 3 T-9 89 866 8 14 15 85 200 149 4,0 5 T-10 89 866 8 14 21 79 200 158 4,1 0 J'. Co 0' oe "1 m: ! !1 - 7- REVENDICATIONS 1 ) - Procéde de combustion d'un carburant avec faible émission d'oxydes d'azote, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire un combustible pulvérise dans le brûleur principal d'un four à combustion et à introduire en outre un combustible pulverisé dans la partie de ce four o ce premier combustible a pratiquement achevé sa combustion. 2 ) - Procéde selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on utilise comme fluide de transport un gaz inerte à teneur faible ou nulle en oxygène. 3 ) -i dications 1 et 2, caractérisé e l'air dans une zone située en un combustible supplémentaire. ) - I térisé en ce que la teneur en bustible pulvérise ne dépasse 1 ) - I térisé en ce que la teneur en ( bustible pulvérise ne dépasse 1 Procedé selon l'une quelconque des reven- en ce qu'on introduit de l'oxygène ou de aval de ladite partie o l'on introduit Procéde selon la revendication 2, carac- oxygène de ce fluide de transport de com- pas 10 %. Procéde selon la revendication 4, carac- oxygène de ce fluide de transport de com- pas 5 %.