Brevet FR2574308A1 — publié le 19860613

-1- La présente invention concerne un procédé et un dispositif permettant de générer de la chaleur et de réaliser, notamment, une désulfuration des gaz de combustion. Les réglementations sévéres limitant dans les zones protégées les émissions d'oxydes de soufre par les effluents gazeux des générateurs de chaleur, impliquent de traiter le problème pollution suivant l'une des trois méthodes suivantes 1 ) Le traitement amont des effluents gazeux par l'emploi de combustibles à faible teneur en soufre. Ce concept trouve rapidement ses limites économiques pour les combustibles commerciaux. En outre, il est du plus haut intérêt sur le plan énergétique de valoriser certains produits "hors normes" souvent très riches en soufre, tels que par exemple: - résidus ultimes de raffinage (asphaltes, coke de pétrole...), - houilles ou lignites à très fortes teneurs en soufre et en cendres. 2 ) Le traitement in situ des effluents gazeux par injection d'un absorbant de SOx dans le milieu réactionnel en combustion. Dans les foyers traditionnels, le procédé consiste à injecter dans la flamme principalement du calcium sous forme de calcaire, de dolomite ou de - 2 chaux. Dans les chaudières à lit fluidisé à cendres sèches opérant aux environs de 800-900 C, l'absorbant peut être mélangé au combustible solide. Pour une consommation donnée de calcaire, les taux de désulfu- ration qu'on peut obtenir dans un lit fluidisé sont nettement supérieurs à ceux qu'on obtient par injection dans une flamme de brûleur. En particulier, au sein d'un lit fluidisé "rapide" ou "circulant" com- portant une recirculation systématique des particules solides, il est possible de s'approcher du rapport stoechiométrique molaire Ca/S = 1 tout en maintenant un taux de désulfuration élevé: par exemple, cap- tation de 80 à 90% du soufre pour un rapport Ca/S de l'ordre de 1,5, contre 3 ou 4 par injection directe dans une flamme. 3 ) Le traitement aval par désulfuration des effluents gazeux. De nombreux procédés existent, qui opèrent en "voie humide" ou en "voie sèche". C'est actuellement la méthode la plus répandue, utilisée avec succès à partir des combustibles traditionnels employés en thermique industrielle (fuels lourds et charbons). Mais désulfurer les "fumées", c'est aussi traiter des gaz de combustion charges en métaux, en produits chlorés, etc... particularités qui ris- quent de s'aggraver avec les types de produits évoqués en 1). Le nouveau procédé selon l'invention pallie ces inconvénients. En ou- tre, il est polyvalent au point de vue des combustibles et le système présente une bonne fiabilité de fonctionnement due à la robustesse des différents éléments qu'il utilise. De plus, dans le cas o l'on utilise un ou des combustibles renfermant des métaux, ces derniers pourront être retenus dans le lit circulant. Ainsi, la présente invention concerne un système permettant de générer de l'énergie thermique à partir d'un combustible et d'un comburant, en limitant, notamment, les émissions d'oxydes de soufre contenus dans les effluents gazeux. 3 - Ce système se caractérise en ce qu'il comporte en combinaison un géné- rateur de chaleur tel une chaudière et un lit circulant adiabatique relié à ce générateur de chaleur. On entend par lit circulant adiabatique, un lit circulant dont la fonction essentielle n'est pas l'extraction d'énergie thermique. Ainsi, ce lit circulant pourra ne pas comporter d'échangeur. Le système selon l'invention pourra comporter un récupérateur d'éner- gie relié au lit circulant. Le système selon l'invention pourra comporter un dispositif de filtra- tion des gaz avant leur rejet final. Il pourra également comporter un dispositif de décantation de particu- les, ce dispositif étant interposé entre le lit circulant et le récu- pérateur de chaleur. La présente invention concerne également un procédé permettant de générer l'énergie thermique à partir d'un combustible et d'un combu- rant en limitant, notamment, les émissions d'oxydes de soufre contenus dans les effluents gazeux. Ce procédé se caractérise en ce qu'il comporte une combustion dudit combustible avec un comburant dans un premier générateur, puis le traitement des effluents gazeux dans un lit circulant adiabatique. Le fluide moteur du lit circulant pourra être constitué pour l'essen- tiel de gaz provenant de la combustion se déroulant dans le premier générateur. On ne sortira pas du cadre de la présente invention en introduisant du combustible également dans le lit circulant. D'ailleurs, ce combustible pourra être différent de celui alimentant le premier géné- rateur. -4 - Les gaz sortant du lit circulant pourront être introduits dans le récupérateur d'Anergie. Les gaz sortant du récupérateur pourront être introduits dans un filtre final avant d'être rejetés dans l'atmosphère. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparai- tront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un exemple particulier, nullement limitatif; illustré par la figure unique ci-annexée. La figure ci-jointe représente un système selon l'invention. Ce système comporte au chaudière 1,ou four, amont pouvant brûler n'importe quel type de combustible 7 soufré suivant les voies clas- siques de la thermique industrielle: résidu sous vide, asphalte- fluxé, combustibles solides, combustibles composites fuel/charbon, suspensions charbon/eau, slurries... Si le système, ou Unité Thermique, est destiné à la production de vapeur, la partie principale de celle-ci sera fournie par la chaudière. La référence 2 désigne un lit circulant adiabatique dont le fluide moteur est constitué pour l'essentiel par des gaz de combustion 8, issus-de la chaudière, et la charge solide par du calcaire 6 (ou éventuellement un autre désulfurant) destiné à absorber les oxydes de soufre présents dans les gaz de combustion. Selon la présente invention, on entend par lit circulant adiabatique, un lit circulant ayant pour rôle essentiel de traiter les effluents gazeux issus de la chaudière sans extraction d'énergie thermique. Toutefois, on ne sortira pas du cadre de la présente invention si l'on effectue une extraction de chaleur à caractère limité. - La nature du deuxième combustible 4 peut être différente de celle du combustible-chaudière. En particulier, on peut mettre à profit les particularités du lit fluidisé 2 pour valoriser un produit disponible sur place. Par exemple, si le combustible 7 de la chaudière est un asphalte fluxé, le combustible d'appoint 4 pourra être l'asphalte soli- de. Dans le cadre d'une raffinerie, le combustible d'appoint 4 pourrait être un "fuel-gas", sinon un coke de pétrole. Dans tous les cas, le lit circulant n'a qu'une fonction d'organe désul- furant et n'intervient pas dans la fabrication de la vapeur (ou d'une manière négligeable), ce qui élimine les problèmes de tenue des faisceaux et permet de faire appel à une technologie éprouvée. La référence 3 désigne un récupérateur aval d'énergie thermique, telle une chaudière de récupération, destiné à récupérer au mieux la chaleur sensible des gaz de combustion issus du lit pour fabriquer le complè- ment de vapeur de l'unité thermique. Il est important de noter que le fait d'avoir "désulfuré" les effluents gazeux l'alimentant, permet d'épuiser au mieux leur enthalpie grâce à l'abaissement de leur tem- pérature de rosée acide. En particulier, on pourra avantageusement utiliser une partie de la chaudière pour préchauffer l'air comburant du (ou des) brûleur(s) amont. Une chaudière de récupération est un engin thermique traditionnel disponible "sur catalogue". La référence 9 désigne un dispositif de filtration des gaz avant leur rejet final à l'atmosphère. En outre, si le combustible 7 de la chaudière principale est un combus- tible solide cendreux, un dispositif 10 de décantation des grosses particules sera interposé entre le lit circulant 2 et la chaudière de récupération 3 pour éviter l'encrassement de cette dernière. -6- Ainsi, il apparaît que l'invention réside, notamment, dans la combinai- son des différents éléments dont la technologie est connue et éprouvée dans le domaine de la thermique industrielle. Il a été découvert que, pour limiter les consommations de calcaire, de combustible d'appoint 4 et d'air complémentaire 5, on a intérêt à alimenter le lit 2 avec des gaz ayant une température comprise entre 400 et 500 C. Avec les techniques habituellement utilisées, la circulation efficace des produits solides dans le lit nécessite une impulsion suffisante du fluide moteur, conduisant à une perte de charge comprise entre quelque 100 et 200 mbars. Il en résulte que, même en disposant un extracteur à la sortie de la chaudière aval de récupération, la chaudière amont devra être capable de supporter une surpression neces- sitant une construction renforcée de l'enveloppe externe. Compte tenu de ces remarques, l'unité thermique de production de chaleur comportera de préférence: - un générateur amont opérant essentiellement par "rayonnement" à concurrence d'une température de sortie des gaz comprise entre 400 et 500 C, et pouvant supporter environ 200 mbars - un générateur aval opérant essentiellement par "convection" à concurrence d'une température de sortie des gaz compatible avec leur point de rosée acide régi par le taux de désulfuration - un lit circulant désulfurant intermédiaire qui, sur le plan ther- mique, relève le niveau de température des gaz amont aux environs de 850 C. La présente invention permet de conserver la souplesse de fonctionne- ment d'une chaudière classique en jouant sur les débits de combustible et d'air comburant alimentant le générateur amont, les conditions de fonctionnement du lit étant couplées à celles de ce dernier. - 7 - relatif aux L'exemple qui suit, / performances du système selon la présente invention, est établi à partir d'un des cas les plus contraignants qu'on puisse rencontrer en matière d'utilisation de combustiblesà haute teneur en soufre. Les données générales de cet exemple sont: - un combustible de la chaudière principale qui est un asphalte fluxé contenant 5% de soufre, un combustible d'appoint qui est un asphalte solide contenant 7% de soufre. On s'est imposé dans cet exemple une émission de soufre finale à l'at- mosphère: 864 mg/kWh (limite réglementaire en zone protégée). Les conditions de fonctionnement chaudière amont, ou chaudière prin- cipale, sont: - un excès d'air e1 de 25%, - une température fumées TF de 400 ou de 5009 C. Les conditions de fonctionnement du lit circulant sont: - un excès d'air e2 de 30%, - une température du lit TL de 850 C (optimale) et pour la quantité de calcaire injecté soit une mole de calcium pour une mole de soufre (ce premier cas correspond à la stoechiométrie),soit 1,6 mole de calcium pour une mole de soufre (ce deuxième cas constitue la limite supérieure reconnue dans un lit circulant- désulfurant). Les résultats de calculs sont donnés ci-dessous. On a désigné par: Qcl le débit de combustible de la chaudière principale, Qc2 le débit de combustible d'appoint, Qa2 le débit d'air frais complémentaire 5 injecté dans le lit, et par Qca le débit de calcaire. 8- pothèses TF 400 C TF = 500 C Ca/S = 1 Ca/S 1,6 Ca/S 1 Ca-/S = 1,6 Résultats *(Mol/Mol) *mol/mol) (mol/mol) (molmol) Qc2/Qcl (kg/kg) 0,218 0, 228 0,157 0,165 Qca/Qcl (kg/kg) 0,165 0,268 0,155 0,249 Qa2/Qcl (m3N/kg) 0,240 0,370: O Taux désulfura-::: : tion approx. (%) 82 82 82 82 A titre de comparaison, il convient de signaler que l'obtention d'un taux de désulfuration de l'ordre de 80% par injection directe de l'absorbant dans la flamme du générateur 1 (avec des astuces parti- culièrement délicates), nécessiterait de manipuler un débit de calcaire tel que Qca/Qclç 0,450 kg/kg, tout en se limitant à l'emploi de l'asphalte fluxé, or les études économiques montrent que la consom- mation de produit absorbant constitue une part importante du coût de la désulfuration. Ainsi, par exemple, l'injection de carbonate de calcium peut provoquer un triplement du coût lorsque le rapport Ca/S passe de 1 à 4.- -9- REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1. - Système permettant de générer de l'énergie thermique à partir d'un combustible et d'un comburant, en limitant, notamment, les émis- sions d'oxydes de soufre contenus dans les effluents gazeux, carac- térisé en ce qu'il comporte en combinaison un générateur de chaleur tel une chaudière (1) et un lit circulant adiabatique (2) relié audit générateur de chaleur. 2. - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un récupérateur d'énergie (3) relié audit lit circulant (2). 3. - Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de filtration (9) des gaz avant leur rejet final. 4. - Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il com- porte un dispositif de décantation (10) de particules,ce dispositif étant interposé entre le lit circulant (2) et le récupérateur de chaleur (3). 5. - Procédé permettant de générer l'énergie thermique à partir d'un combustible et d'un comburant, en limitant, notamment, les émissions d'oxydes de soufre contenus dans les effluents gazeux, caractérisé en ce qu'il comporte une combustion dudit combustible avec de l'air dans un premier générateur (1) puis le traitement des effluents gazeux dans un lit circulant adiabatique (2). 6. - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fluide moteur dudit lit circulant est constitué pour l'essentiel des gaz provenant de la combustion se déroulant dans le premier générateur. 7. - Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'on introduit du combustible également dans le lit circulant. - 10 - 8. - Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les gaz sortant dudit lit circulant sont introduits dans le récupérateur d'énergie. 9. - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les gaz sortant dudit récupérateur sont introduits dans un filtre final avant d'être rejetés dans l'atmosphère.