Brevet FR2551532A1 — publié le 19850308

La présente invention concerne un procédé pour réduire l'émission de NO lors de la combustion X de combustibles contenant de l'azote au moyen de brnleurs dans un foyer fermé, dans lequel le combustible 5 et l'air de combustion sont introduits dans la flamme de brleur de façon échelonnée sous forme de courants partiels par l'intermédiaire de conduits d'alimentation séparés l'un de l'autre. Les processus de réaction qui provoquent la 10 formation d'oxydes d'azote dans des foyers industriels sont connus dans une large mesure A l'heure actuelle, on différencie essentiellement deux réactions différentes de formation: la formation thermique de N Ox, qui est basée sur l'oxy15 dation de l'azote moléculaire, qui se trouve par exemple en forte proportion dans l'air de combustion Du fait que l'oxydation de l'azote moléculaire nécessite de l'oxygène atomique ou des radicaux agressifs (par exemple OH, etc), elle est fortenent fonction de la 20 température, d'o le N Ox thermique: la formation de N Ox à partir du combustible, qui s'effectue par l'intermédiaire de l'oxydation des composés azotés fixes dans le combustible Pendant la pyrolyse d'un combustible liquide ou pulvérulent, 25 il se forme à partir de ces composés azotés des radicaux azote-carbone et azote-hydrogène, par exemple HCN, qui, à cause de leur possibilité de réaction avec l'oxygène moléculaire, sont déjà oxydés en N Ox à des températures relativement basses, en présence d'oxy30 gène. Une diminution de la formation thermique de N Ox est par conséquent obtenue essentiellement par une réduction de la température de combustion et des temps de séjour à hautes températures Du fait que lors de la 35 combustien de combustibles liquides et pulvérulents dans lesquels est fixé de l'azote, une forte proportion de la quantité totale de NO formés résulte de la réaction de formation de NO concernant le combustible, les mesures prises pour de tels combustibles en vue d'atteindre les valeurs d'émission stipulées dans certains pays ne sont pas suffisantes A cet égard, il est nécessaire de réduire les composés azotés encore pendant la pyrolyse, en l'absence d'oxygène, sous forme d'azote moléculaire (N 2) Des expériences ont montré 10 que ces réactions de réduction en azote moléculaire se produisent alors par exemple quand les combustibles sont br Qlés dans des conditions infra-stoechiométriques, c'est-à-dire avec moins d'addition d'oxygène ou d'air que cela est nécessaire pour une combustion complète. Lors d'une application pratique du processus opératoire décrit ci-dessus, il s'est avéré qu'avec une telle combustion partielle suivie par une postcombustion (combustion en deux étages), on pouvait réduire d'une part la formation de N Ox à partir du combustible avec 20 dégagement simultané de chaleur dans le domaine infrastoechiométrique et, d'autre part également, la formation thermique de NOX, mais de toutes manières on ne peut pas atteindre l'objectif envisagé d'une réduction de plus de % par rapport à un processus opératoire on étagé. en preambule Un procédé du type défini/est connu d'après le brevet US 40 23 921 Dans ce procédé, on utilise pour une réduction de NO une recirculation de fumées froides On obtient évidemment également un certain étagement de lacombustion par le fait que l'air de 30 combustion est divisé en un courant primaire et un courant secondaire,qui sont également introduits dans la flamme l'un après l'autre, le courant primaire s'élevant cependant seulement à 2 à 10 % Cette faible proportion d'air introduit dans le mélange ne suffit 35 cependant pas pour produire dans la zone primaire la Dyrolyse d'une proportion notable du combustible. C'est seulement lorsqu'il se produit dans la zone primaire une pyrolyse du combustible avec manque d'oxygène qu'on peut empêcher la formation de NO provenant du x combustible En conséquence, avec ce procédé, on ne peut obtenir qu'une réduction de la formation thc '*" de N Ox. On a en outre établi que, par un ralentissement du mélange entre le courant d'air et le courant de combustible, il est également possible d'obtenir une 10 réduction importante d'émission de N Ox. Dans un br Qleur de charbon pulvérulent connu (modèle d'utilité DE-18 68 003), le courant d'air secondaire en forme d'enveloppe est introduit dans deux tubes directement adjacents, disposés annulairement et 15 pouvant être commandés séparément pour laisser sortir par exemple le courant d'air secondaire intérieur, et par conséquent immédiatement adjacent au jet de charbon pulvérulent, à une vitesse inférieure, et le courant d'air secondaire extérieur à-une vitesse supérieure. Un inconvénient de cet agencement consiste en ce qu'il se produit un allongement de la flamme qui nécessite une augmentation du volume de foyer, et quelors de la réduction de l'air secondaire en fonction de la charge, la vitesse de l'air secondaire est diminuée, ce qui modifie le caractère et la forme de la flamme Suivant les circonstances, il peut en résulter une perturbation à l'allumage. En outre, il est connu d'effectuer une combustion primaire dans des conditions infra-stoechio30 métriquesdans une pré-chambre, et de mélanger l'air nécessaire pour une combustion complète avec les gaz de combustion qui sortent de la pré-chambre En outre, des fumées provenant du foyer sont aspirées par un auxiliaire de brûleur (demande de brevet allemand DE-OS 35 21 29 357). L'art antérieur et les connaissances acquises en relation avec de nombreux essais ont montré qu'on ne pouvait pas obtenir la réduction de N Ox envisagée En conséquence, en se basant sur les résultats obtenus, on a effectué d'autres expériences avec pour objectif la réduction des NO encore formés de manière à obtenir x au total une diminution des N Ox jusqu'à la valeur envisagée Ces essais ont été essentiellement effectués en mélangeant du combustible additionnel avec les fumées 10 provenant d'une première flamme Lors du mélange du combustible additionnel avec les fumées chaudes contenant N Ox, il se forme des produits de combustion qui réduisent l'oxyde d'azote déjà formé qui provient des fumées de la flamme primaire En outre, la totalité de l'azote contenu 15 dans les composants volatils du combustible d'addition est libérée en même temps que celui-ci et est ramenée sous forme d'azote moléculaire dans des conditions réductrices. L'oxyde d'azote déjà formé est réduit d'une part sur les particules de carbone de la flamme secondaire par réaction directe et, d'autre part, sur les composants gazeux de la flamme secondaire (réaction indirecte). Normalement, la réaction directe est prédominante Il se produit alors principalement une réduction 25 du monoxyde d'azote avec des atomes de carbone fixés. La proportion de monoxyde de carbone est déterminée par la température et par la nature des particules solides. Pendant cette réaction, il se forme également des complexes de carboneoxygènesur la surface des particules 30 solides qui ont une influence perturbatrice, au moins aux basses températures, sur le processus global de réduction La présence d'hydrogène ou de monoxyde de carbone comme agents gazeux réducteursaccélère par conséquent le processus de réaction car ils réagissent avec 35 ces complexes surfaciques en formant du gaz carbonique et de l'eau. Cependant, aussitôt qu'il se produit dans la zone de réaction une source d'hydrogène (soit sous forme d'hydrogène soit sous forme d'atomes d'hydrogène fixes sur solides), il se produit une conversion indirecte parallèlement à la conversion directe Notamment, en présence de molécules libres d'hydrogène, il se forme des quantités importantes d'ammoniac comme produits intermédiaires azotés Ces derniers se transforment ensuite également en azote, et notamment par voie directe 10 (par réaction avec du monoxyde d'azote ou avec de l'ammoniac) et également par voie indirecte en formant de l'acide cyanhydrique comme produit intermédiaire. L'importance d'une telle réduction hétérogène de monoxyde d'azote dans des conditions typiques des flammes n'a encore pas été expliquée clairement jusqu'à maintenant Il existe cependant des avis pertinents qui spécifient qu'au moins dans le cas de flammes produites avec du charbon pulvérulent, ce processus joue un rôle non négligeable dans la détermination des émissions de 20 monoxyde d'azote Ces considérations théoriques et confirmées expérimentalement ne peuvent cependant pas, compte tenu des techniques d'expérimentation utilisées, être appliquées sous l'angle industriel aux conceptions de br Qleurs utilisés car, lors d'une addition du 25 combustible secondaire aux fumées provenant de la flamme primaire, la zone de combustion secondaire se formant présente évidemment l'effet désiré de réduction de N Ox mais cependant, par suite du contact de l'atmosphère réductrice avec les parois environnantes du foyer, 30 il se produitsous l'action du combustible,des corrosions et des dépôts. Le problème sur lequel est basé l'invention consiste, lors de la combustion de combustibles contenant de l'azote par l'intermédiaire de br Qleurs, à choisir 35 le mode opératoire de telle sorte qu'on conserve intégralement l'influence de combustibles secondaires sur une réduction de N Ox sans que les fumées réductrices entrent en contact avec les parois environnantes du foyer et déclenchent des processus de corrosion et de formation de dépôts. Pour résoudre ce problème, il est proposé un mode opxratoire permettant de réduire les émissions de NO par des combustibles contenant de l'azote dans des br Qleurs, ce procédé étant caractérisé par les étapes suivantes: a) dans une première étape, on produit une flamme primaire en opérant au moins à la moitié de la puissance totale etinettement jusqu'à légèrement en dessous des conditions stoechiométriques; b) dans une seconde étape, on introduit dans la flamme primaire,en aval et à une certaine distancedu combustible additionnel avec un fluide, et on amorce une combustion avec l'oxygène résiduel provenant de la flamme primaire ou bien avec l'oxygène du fluide; c) dans une troisième étape (zone de brûlage), le mélange 20 ainsi obtenu de fumées et de combustible non brûlé est à nouveau mélange avec un puissant jet d'air additionnel et est brûlé. Alors quedans la première étape, on utilise pour la création d'une flamme primaire les critères opératoires connus, il se produit dans la seconde étape, par addition de combustible secondaire autour du cône de flamme l'action de réduction des NO provenant du x combustible secondaire Pour pouvoir conserver intégralement les effets obtenus notamment par le mode opératoire 30 dans la seconde étape et pour éviter les phénomènes de corrosion et de formation de dépôts, on introduit dans une troisième étape de l'air de combustion additionnel de manière que la combustion résiduelle des fumées soit assurée et que la flamme n'entre pas directement en con35 tact avec les parois entourant le foyer. D'autres caractéristiques et avantages du procédé conforme à l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, faite en référence à un exemple de réalisation et au dessin unique annexé. 5 Du combustible primaire est introduit avec son air porteur dans la section 2 du br Qleur primaire. De l'air périphérique est introduit de façon tourbillonnaire dans une section extérieure 3 disposée coaxialement à la première Le combustible et l'air ainsi introduits forment une flamme primaire 7, qui est établie aux dans des conditions inférieures/ou proches des conditions stoechiométriques La flamme primaire 7 ainsi formée présente une grande stabilité d'allumage par suite du mode d'introduction de l'air et du combustible dans le brûleur tourbillonnaire, o l'allumage est établi grace à l'existence d'une zone interne de reflux 6 qui est efficace indépendamment des brûleurs adjacents. Du combustible additionnel est introduit dans cette flamme du br Qleur par l'intermédiaire de buses 4, qui sont disposées sur la périphérie du brûleur primaire de manière à former en aval ce qu'on appelle une zone de flamme secondaire 8, qui est nettement infra-stoechiométrique et dans laquelle des oxydes d'azote NO x provenant de la zone de flamme primaire sont réduits. 25 On introduit en outre dans ce qu'on appelle la zone de flamme secondaire 8, par l'intermédiaire de buses 5, de l'air de combustion additionnel, dont la fonction est d'assurer le brûlage des résidus dans une zone 9 et de produire une flamme de profil fermé avec laquelle 30 on évite le contact de la flamme avec les parois du foyer L'introductionde l'air additionnel de combustion ( 3 ême etape) peut se faire avec un ou plusieurs jets. REVENDICATION Procédé pour réduire l'émission de N Ox lors de la combustion de combustibles contenant de l'azote au moyen de brûleurs dans un foyer fermé, dans lequel 5 le combustible et l'air de combustion sont introduits dans la flamme de brûleur de façon échelonnée sous forme de courants partiels par l'intermédiaire de conduits d'alimentation séparés l'un de l'autre, caractérisé par le mode opératoire suivant: a) dans une première étape, on produit une flamme primaire en oérant au moins à la moitié de la puissance totale et/nettement jusqu'à légèrement en dessous des conditions stoechiométriques; b) dans une seconde étape, on introduit dans la flamme 15 primaire en aval et à une certaine distance, du combustible additionnel avec un fluide, et on amorce une combustion avec l'oxygène résiduel provenant de la flamme primaire ou bien avec l'oxygène du fluide; c) dans une troisième étape (zone de br Qlage), le mélange 20 ainsi obtenu de fumées et de combustible non br Qlé est à nouveau mélangé avec un puissant jet d'air additionnel et est br Qlé.