Brevet FR2613042A1 — publié le 19880930

Procédé pour réduire les émissions d'oxydes d'azote d'une turbine fixe à combustion. La présente invention concerne, d'une façon générale, les turbines fixes à combustion et elle a trait, plus particulièrement, à un procédé pour réduire les émissions d'oxydes d'azote (NOx) de ces turbines en utilisant dans celles-ci des chambres de combustion catalytiqdes disposées en série et en faisant fonctionner la chambre se trouvant en amont avec un mauvais rendement eL la chambre se trouvant en aval avec un bon rendement. Dans le fonctionnement d'une turbine classique à combustion, l'air d'admission en provenance de l'atmosphère est comprimé et réchauffé par l'action rotative d'un compresseur à aubes multiples et est amené à s'écouler jusqu'à une pluralité de chambres de combustion o le combustible est mélangé avec l'air comprimé et le mélange est enflammé et brûlé. L'énergie thermique ainsi libérée se propage alors dans les gaz de combustion jusqu'à la turbine o elle est transformée en énergie rotative pour entraîner un matériel, par exemple en vue d'engendrer de l'énergie électrique ou de procéder à des traitements industriels. Les gaz de combustion s'échappent finalement de la turbine dans l'atmosphère. On a étudié diverses techniques pour adapter les turbines à combustion aux utilisations mentionnées ci-dessus sans dépassement des limites relatives à l'émission de NOx. L'utilisation d'une combustion catalytique est une approche prometteuse, car elle peut avoir lieu à une température d'environ 1250-1360 C pour produire à l'admission de la turbine une température élevée afin d'obtenir un bon rendement de la turbine sans création notable de NOx par les réactions qui se produisent entre l'azote et l'oxygène aux températures supérieures à 1650 C. Par contre, une combustion classique avec flamme à environ 2450 C se traduit par une création de NOx qui, de façon caractéristique, dépasse les limites établies dans les régions les plus restrictives, telles que la Californie. Un système de combustion catalytique pour une turbine à combustion telle que celle décrite dans le brevet canadien n 1 169 257 peut produire des émissions d'échappement de NOx dans des proportions de 20 ppmv en raison de l'utilisation d'un brûleur non catalytique en série avec l'élément catalytique. Bien que cette proportion satisfasse à la norme de 75 ppmv définie par l'Agence de la Protection de l'Environnement (EPA), il existe certaines contrées, comme par exemple le Japon, qui exigent une proportion d'émission de NOx aussi faible que 6 ppmv à laquelle on ne peut pas satisfaire avec la conception décrite dans le brevet mentionné ci-dessus. Par conséquent/ il existe encore un besoin pour une technique permettant d'obtenir des émissions de NOx encore plus faibles avec les turbines de combustion, celà afin de satisfaire des règles encore plus strictes de certaines juridictions en ce qui concerne l'environnement et c'est pourquoi l'objet de la présente invention est de fournir une telle technique. Compte tenu de cet objectif, la présente invention réside dans un procédé de réduction, en dessous d'une norme ultra-sévère prédéterminée, des émissions de NOx se produisant dans la combustion de combustible d'une turbine fixe à combustion, caractérisé par les étapes consistant: (a) à soumettre à une combustion dans une zone primaire de combustion un mélange d'hydrocarbure et d'air d'un écoulement primaire de ce mélange, de manière à produire un flux de gaz très chaud qui se trouve à une température supérieure à celle nécessaire pour une réaction catalytique avec un bon rendement et qui contient NOx dans des proportions inférieures à celles définies par une norme sévère prédéterminée mais supérieures à celles définies par la norme ultra-sévère prédéterminée; (b) à mélanger dans une zone de mélangeage et de vaporisation, située en aval de ladite zone primaire de combustion, un hydrocarbure d'un écoulement secondaire de ce dernier avec ledit flux de gaz très chaud pour fournir un écoulement d'un mélange de combustible chauffé se trouvant à une température supérieure à celle nécessaire pour une réaction catalytique avec un bon rendement; (c) à faire réagir de façon catalytique avec un mauvais rendement un premier élément catalytique, situé en aval de ladite zone de mélangeage et de vaporisation, le mélange de combustible chauffé dudit écoulement de ce dernier pour fournir un écoulement d'effluent gazeux qui se trouve à une température supérieure à celle nécessaire pour une réaction catalytique avec un bon rendement et qui contient NOx dans des proportions inférieures à celles définies par la norme ultra-sévère prédéterminée et CO ainsi que les hydrocarbures imbrûlés (UHC) dans des proportions supérieures à celles définies par une norme acceptable prédéterminée; (d) à mélanger dans une zone d'achèvement de mélangeage, située en aval du premier élément catalytique, CO et UHC sous la forme dudit écoulement d'effluent gazeux pour produire un écoulement d'effluent gazeux mélangé et chauffé se trouvant à une température supérieure à celle nécessaire pour une réaction catalytique avec un bon rendement; et (e) à oxyder de façon catalytique avec un bon rendement dans un second élément catalytique, situé en aval de ladite zone d'achèvement de mélangeage, l'effluent gazeux mélangé et chauffé dudit écoulement de ce mélange, de manière à fournir un flux de gaz d'échappement comprenant des émissions qui contiennent NOx dans des proportions inférieures à celles définies par ladite norme ultra-sévère prédéterminée et CO ainsi que UHC dans des proportions inférieures à celles définies par ladite norme acceptable prédéterminée. En faisant fonctionner la chambre de combustion catalytique d'amont avec un mauvais rendement, comme par exemple seulement 74,8% et non pas les 99, 9% qui seraient normaux, les NOx produits par le pré-brûleur situé dans la chambre de combustion se trouvent réduits chimiquement et les produits issus de la combustion effectuée avec un mauvais rendement sont alors oxydés par la chambre de combustion catalytique d'aval fonctionnant avec un bon rendement. Bien qu'il existe diverses techniques pour que la chambre de combustion catalytique d'amont fonctionne à coup-sûr avec un mauvais rendement, une approche préférée consiste à réduire la longueur axiale de la chambre de combustion d'amont dans une mesure telle que le temps de séjour est inadéquat pour que l'oxydation soit achevée. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple uniquement en référence aux dessins annexés, dont: la figure 1 est une vue en élévation latérale détaillée avec arrachement d'une turbine fixe classique à combustion; la figure 2 est une vue agrandie, partiellement en coupe, d'une des chambres de combustion de la turbine de la figure 1 modifiée de manière à comprendre une paire de chambres de combustion catalytique disposées en série en vue du fonctionnement de la turbine selon les principes de la présente invention; et la figure 3 est une vue en coupe schématique représentant la chambre de combustion modifiée de la figure 2. La figure 1 montre en détail une turbine classique 10 à combustion du type utilisé pour entraîner un matériel (non représenté) servant à engendrer de l'énergie électrique ou à exécuter des traitements industriels. La turbine particulière du mode de réalisation illustré est une turbine à combustion de 92 megawatts, modèle W501D de Westinghouse. La turbine 10 à combustion comprend, fondamentalement, un compresseur 12 à aubes multiples et une turbine 14 à aubes multiples. Le compresseur et la turbine 12,14 comportent tous deux des extrémités d'entrée et de sortie opposées 16,18 et 20,22, et sont montés sur un arbre rotatif commun 24 qui définit l'axe de rotation longitudinal A de la turbine 10. De plus, la turbine 10 comprend une pluralité de chambres de combustion creuses et allongées 26, par exemple au nombre de 16, ces chambres étant espacées circonférentiellement l'une de l'autre autour de l'extrémité de sortie 18 du compresseur 12 et radialement depuis l'axe longitudinal A de la turbine. Les chambres de combustion 26 sont logées dans une grande enveloppe cylindrique 28 qui entoure l'extrémité de sortie 18 du compresseur. L'enveloppe 28 assure une communication d'écoulement entre l'extrémité de sortie 18 du compresseur et les trous d'admission 30 des parties 32 d'extrémité d'amont des chambres de combustion 26. Chacune des extrémités 34 d'aval des chambres de combustion respectives 26 est raccordée, par un conduit creux 36 de transition, à l'extrémité d'admission 20 de la turbine, en vue d'établir une communication pour l'écoulement. En se référant également à la figure 2, on voit qu'un injecteur primaire 38 de combustible et un allumeur (non représenté), qui crée une petite flamme (non représentée) de façon classique, communiquent avec une zone primaire 40 de combustion définie à l'intérieur de la partie 32 d'extrémité d'amont de chaque chambre 26 de combustion. Les trous d'admission les plus en avant parmi les trous d'admission 30 des chambres de combustion respectives 26 assurent une communication pour l'écoulement entre l'intérieur de l'enveloppe 28 et la zone primaire 40 de combustion. De plus, une pluralité d'injecteurs secondaires 42 de combustible sont disposés le long de chacune des chambres 26 de combustion et sont alignés avec les trous d'admission les plus en arrière parmi les trous d'admission 30 et avec une zone 44 de préparation de combustible située en aval de la zone primaire 40 de combustion. Dans le fonctionnement classique de la turbine , l'air d'admission en provenance de l'atmosphère est aspiré dans le compresseur 12 à travers son extrémité d'admission 16, puis comprimé et réchauffé dans ce compresseur par la rotation des aubes de ce dernier avec l'arbre commun 24 autour de l'axe A. L'air comprimé et réchauffé s'écoule dans la direction des flèches représentées sur la figure 1, à travers le compresseur 12 et l'enveloppe 28, et pénètre dans la pluralité de chambres 26 de combustion par les trous d'admission 30 que comportent ces dernières dans leur partie 32 d'extrémité d'amont. L'hydrocarbure combustible en provenance de l'injecteur primaire 38 de combustible pénètre dans la zone primaire 40 de combustion o il est mélangé avec l'air réchauffé et comprimé et le mélange est allumé et brûlé en produisant un flux de gaz de combustion très chaud. Dans la zone 44 de préparation de combustible, la majeure partie de l'hydrocarbure combustible en provenance des injecteurs secondaires 42 de combustible est entraînée et est brûlée dans le flux de gaz très chaud. L'énergie thermique ainsi libérée est transportée dans le flux de gaz de combustion à travers l'extrémité d'admission 20 de la turbine 14 ou elle est transformée en force motrice de rotation pour entraîner un autre matériel, par exemple pour engendrer de l'énergie électrique, ainsi que pour faire tourner le compresseur 12 de la turbine 10. Les gaz de combustion s'échappent finalement dans l'atmosphère par l'extrémité de sortie 22 de la turbine 14. En utilisant une paire d'éléments catalytiques d'amont et d'aval 46,48, espacés l'un de l'autre par une zone 50 d'achèvement de combustion comme représenté sur la figure 2, conjointement avec chacune des chambres 26 de combustion, on peut faire fonctionner la turbine en conformité avec le procédé de la présente invention, afin de produire un flux de gaz d'échappement chaud qui est destiné à entraîner la turbine 14 et qui comprend NOx dans des proportions inférieures à la proportion de 6 ppmv exigée par la norme ultra-sévère. Chaque élément catalytique 46,48 comprend une boîte 52,54 à l'intérieur de laquelle une structure catalytique 56,58 en nid d'abeilles est supportée de façon classique par des moyens appropriés. En se référant maintenant à la figure 3, on va décrire le procédé de la présente invention. Dans son utilisation d'une flamme classique obtenue à l'aide d'un allumeur 60 dans la zone de combustion primaire 40 de la chambre de combustion correspondante 26, l'hydrocarbure combustible et l'air, sous forme d'un écoulement primaire, sont mélangés, allumés et brûlés, c'est-à- dire soumis à une combustion, de manière à produire un flux de gaz très chaud se trouvant à une température supérieure à celle nécessaire pour une réduction catalytique efficace (par exemple 425'C). Les gaz très chauds contiennent NOx dans des proportions (par exemple 28 ppmv) inférieures à celles imposées par la norme sévère prédéterminée (par exemple la proportion de ppmv imposée par la norme EPA) mais supérieures à celles imposées par la norme ultra-sévère désirée (par exemple, 6 ppmv). Le flux de gaz très chaud est ensuite reçu dans la zone 44 de préparation de combustible (ou zone de mélangeage et de vaporisation) de la chambre 26 de combustion, qui se trouve en aval de la zone primaire 40 de combustion. Dans la zone 44 de préparation de combustible, l'hydrocarbure combustible supplémentaire se trouvant dans un flux secondaire injecté par l'injecteur secondaire 42 de combustible est mélangé avec le flux de gaz très chaud. Le mélange fournit un écoulement d'un mélange de combustible chauffé et partiellement non vaporisé se trouvant aussi à une température supérieure à celle nécessaire pour une réaction catalytique efficace. Le mélange de combustible chauffé séjourne dans la zone de préparation de combustible pendant un temps insuffisant pour permettre une vaporisation totale du combustible dans le mélange. Le flux du mélange de combustible chauffé et partiellement non vaporisé est ensuite reçu par l'élément catalytique 46 d'amont situé en aval de la zone 44 de préparation de combustible. Dans l'élément catalytique 46 d'amont, le mélange de combustible chauffé et partiellement non vaporisé est réduit de façon catalytique avec un mauvais rendement (par exemple avec un rendement de combustion de 78,8% seulement de l'élément 46), de manière à fournir un écoulement d'effluent gazeux se trouvant à une température supérieure à celle nécessaire pour une réduction catalytique avec un bon rendement. L'effluent gazeux ainsi produit contient NOx dans des proportions inférieures à celles imposées par la norme ultra-sévère (par exemple 6 ppmv), mais contient également CO et des hydrocarbures imbrûlés (UHC) dans des proportions (par exemple 2560 ppmv et 4800 ppmv, respectivement) supérieures à celles imposées par une norme acceptable (par exemple 75 ppmv). La zone 50 d'achèvement de mélangeage (par exemple de 15,2 cm (6 pouces) de longueur) entre les éléments catalytiques d'amont et d'aval 46,48 permet un mélangeage des composants (N2, CO et UHC) dans l'écoulement d'effluent gazeux de manière à produire un écoulement d'effluent gazeux mélangé et chauffé se trouvant à une température qui est ici encore supérieure à celle nécessaire pour une réaction catalytique avec un bon rendement. Le flux de mélange combustible chauffé et partiellement non vaporisé est ensuite reçu par l'élément catalytique d'aval 48 dans lequel il est oxydé de façon catalytique avec un bon rendement (avec un rendement de combustion de 99,9%, ce qui est normal) de manière à créer un flux de gaz d'échappement chauffé pour la turbine 14. Le gaz d'échappement comprend des émissions qui contiennent NOx dans des proportions inférieures à celles imposées par la norme ultra-sévère précitée et CO et UHC dans des proportions inférieures à celles imposées par la norme acceptable précitée. Il existe diverses techniques pour obtenir que l'élément catalytique d'amont 46 fonctionne avec un mauvais rendement. Une des techniques consiste à raccourcir la longueur axiale de l'élément catalytique 46 de manière que le temps de séjour du mélange combustible dans cet élément soit inadéquat pour que l'oxydation ou la réduction soit achevée. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réduire les émissions de NOx d'une turbine fixe à combustion en dessous de celles définies par une norme ultra-sévère prédéterminée, caractérisé par les étapes consistant: (a) à soumettre à une combustion dans une zone primaire (40) de combustion un mélange d'hydrocarbure et d'air d'un écoulement primaire de ce mélange, de manière à produire un flux de gaz très chaud qui se trouve à une température supérieure à celle nécessaire pour une réaction catalytique avec un bon rendement et qui contient NOx dans des proportions inférieures à celles définies par une norme sévère prédéterminée mais supérieures à celles définies par la norme ultra-sévère prédéterminée; (b) à mélanger dans une zone de mélangeage et de vaporisation (44), située en aval de la zone primaire (40) de combustion, un hydrocarbure d'un écoulement secondaire de ce dernier avec ledit écoulement de gaz très chaud pour fournir un flux d'un mélange de combustible chauffé se trouvant à une température supérieure à celle nécessaire pour une réaction catalytique avec un bon rendement; (c) à faire réagir de façon catalytique avec un mauvais rendement dans un premier élément catalytique (46), situé en aval de la zone de mélangeage et de vaporisation (44), le mélange de combustible chauffé dudit écoulement de ce mélange pour fournir un écoulement d'effluent gazeux qui se trouve à une température supérieure à celle nécessaire pour une réaction catalytique avec un bon rendement et qui contient NOx dans des proportions inférieures à celles définies par la norme ultra-sévère prédéterminée et CO ainsi que des hydrocarbures imbrûlés (UHC) dans des ?613042 proportions supérieures à celles définies par une norme acceptable prédéterminée; (d) à mélanger dans une zone (50) d'achèvement de mélangeage, située en aval du premier élément catalytique (46), CO et UHC sous la forme dudit écoulement d'effluent gazeux, de manière à produire un écoulement d'effluent gazeux mélangé et chauffé se trouvant à une température supérieure à celle nécessaire pour une réaction catalytique avec un bon rendement; et (e) à oxyder de façon catalytique avec un bon rendement dans un second élément catalytique (48), situé en aval de la zone (50) d'achèvement de mélangeage, l'effluent gazeux mélangé et chauffé dudit écoulement de cet effluent pour fournir un flux de gaz d'échappement comprenant des émissions qui contiennent NOx dans des proportions inférieures à celles définies par la norme ultra-sévère prédéterminée et CO ainsi que UHC dans des proportions inférieures à celles définies par la norme acceptable prédéterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue ladite combustion en utilisant une flamme classique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le mélange de combustible chauffé dudit écoulement de ce mélange séjourne à l'intérieur de la zone (44) de mélangeage et de vaporisation pendant un temps insuffisant pour permettre une vaporisation totale du combustible dans ledit mélange. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément catalytique (46) fonctionne avec un mauvais rendement grâce au fait que sa longueur est plus courte que celle nécessaire pour un fonctionnement avec un bon rendement.