Brevet FR2682459A1 — publié le 19930416

Procédé et dispositifs pour diminuer la teneur en protoxyde d'azote des gaz d'une combustion oxydante d'un réacteur à lit fluidisé ETAT DE L'ART Les lits fluidisés sont maintenant utilisés dans des centrales thermiques dont la puissance atteint 150 MW électriques et vont donc prendre une importance de plus en plus grande dans la production d'électricité. Les lits fluidisés circulants en particulier ont comme avantage certain de permettre une désulfuration importante supérieure à 90 a et d'être à l'origine d'une production d'oxydes d'azote (NOx) faible de l'ordre de 200 mg/nm3 ou moins (sur une base de référence de fumées sèches contenant 6 % 02). Toutefois des mesures récentes ont montré que le lit fluidisé serait aussi à l'origine de la production de protoxyde d'azote (N20) encore appelé gaz hilarant, nuisible pour l'environnement compte tenu notamment de son influence sur la couche d'ozone terrestre. Ce protoxyde d'azote, qui est pratiquement inexistant dans les centrales thermiques classiques brûlant des combustibles fossibles sous forme pulvérisée, est produit dans un lit fluidisé du fait de la température de combustion aux environs de 850 C, température basse si on la compare à celle existant dans les foyers brûlant du combustible pulvérisé. Dans la demande de brevet européen nO 0406185 A2, il est proposé de remonter, par une combustion complémentaire classique, la température des gaz sortant du cyclone d'un lit fluidisé circulant à une valeur comprise entre 900 et 1 1000 C, et de la maintenir à cette valeur pendant un temps pouvant atteindre 5 secondes pour éliminer ce protoxyde d'azote. Ce procédé est cependant à l'origine, dans cette combustion complémentaire, d'une production supplémentaire d'oxydes d'azote et d'oxydes de soufre. Un procédé voisin est décrit dans la demande de brevet allemand nO DE 39 33 286 Ai. INVENTION L'invention est caractérisée par l'injection d'eau ou de vapeur comme un moyen de diminuer la teneur en protoxyde d'azote dans les gaz produits par une combustion oxydante dans un lit fluidisé correspondant à une vitesse des gaz de fluidisation allant du lit fluidisé dense au lit fluidisé circulant. La quantité d'eau ou de vapeur nécessaire pour chaque combustible dépendra de ses caractéristiques chimiques, en particulier ses teneurs en azote, en oxygène et en eau. Cette quantité variera également en fonction de la charge de l'installation. L'injection d'eau s'effectue soit dans la partie basse du réacteur sous les introductions du combustible ou également répartie suivant la périphérie d'une section droite du réacteur, soit dans la gaine de retour du siphon, soit sous les busettes d'injection de l'arrivée pneumatique de combustible dans le réacteur, soit autour des cannes d'injection des combustibles liquides ou gazeux. L'injection de vapeur s'effectue soit dans la partie basse du réacteur sous les introductions du combustible ou également répartie suivant la périphérie d'une section droite du réacteur, . soit dans la descente gravitaire de combustible, soit dans la gaine de retour du siphon du cyclone soit dans l'injection pneumatique de combustible, . soit autour des cannes d'injection des combustibles liquides ou gazeux, . soit dans les busettes d'injection d'air secondaire, soit dans l'arrivée d'air primaire. L'application de l'invention sera décrite à titre d'exemple plus particulièrement dans le cas d'une chaudière à lit fluidisé circulant. La figure 1 représente un système à lit fluidisé circulant. La figure 2 représente un réacteur à lit fluidisé avec arrivées gravitaires de combustibles dans des gaines de retour des siphons de cyclones. La figure 3 représente un réacteur à lit fluidisé avec arrivées gravitaires de combustible directement dans le réacteur. La figure 4 représente un réacteur à lit fluidisé avec arrivées pneumatiques de combustible. La figure 5 représente un réacteur à lit fluidisé avec arrivées de combustibles liquides ou gazeux sur la périphérie d'une section du réacteur. La figure 6 représente un réacteur à lit fluidisé avec injection d'eau ou de vapeur sur la périphérie d'une section du réacteur. La figure 7 représente un réacteur à lit fluidisé avec injection de vapeur dans l'air secondaire. La figure 8 représente un réacteur à lit fluidisé avec injection de la vapeur dans l'air primaire. La figure 9 représente un système à lit fluidisé circulant équipé d'un dispositif de réchauffement d'eau d'injection. La figure 10 représente un dispositif d'injection de vapeur prélevée sur une turbine à vapeur. La figure 11 représente un second dispositif d'injection de vapeur. La chaudière, sur la figure 1, comporte un réacteur 1 refroidi par des tubes d'eau et de vapeur (non représentés) un cyclone 2, un siphon 3 de réintroduction dans le réacteur des matières recueillies par le cyclone, un ensemble de surfaces d'échange par convection (surchauffeur 4, résurchauffeur 5, économiseur 6), un réchauffeur d'air primaire et secondaire 7, un dépoussiéreur 8, un ventilateur de tirage 9, une cheminée 10, une introduction de combustible 11 ou 11' ou 11", une introduction d'air primaire 12, une grille de fluidisation 13, une introduction d'air secondaire 14, une introduction de matériel inerte de lit 15 et une introduction d'agent réducteur de gaz sulfureux 16. A noter que toute la combustion a lieu dans le réacteur 1 et qu'il n'y a plus de combustion des gaz issus du réacteur 1 dans la suite de leur parcours (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10). L'introduction d'un combustible concassé ou broyé peut se faire de plusieurs façons - soit pneumatiquement (11), - soit par chute gravitaire (11') dans le réacteur, - soit par chute gravitaire (11") dans le retour du siphon au réacteur. Le schéma d'une chaudière à lit fluidisé dense serait similaire à celui de la figure 1. Toutefois le cyclone 2 pourrait être omis. L'introduction d'eau ou de vapeur pour être efficace devra être localisée de façon à ce que la vapeur d'eau soit présente dès le début de la combustion ou de la distillation des matières volatiles du combustible. Sur les figures 2 à 8, sont donnés des exemples d'introduction de combustible et des solutions préférées d'injection d'eau ou de vapeur correspondantes La figure 2 correspond à une arrivée gravitaire de combustible 11" dans le retour du siphon 3 du cyclone 2 d'un lit fluidisé circulant : la vapeur est introduite dans la descente gravitaire (V 1) ou dans la gaine de retour des matières du siphon 3 (V 2) ; l'eau peut être pulvérisée dans la gaine de retour du siphon 3 (E 2) ou sous l'arrivée de celle-ci dans le réacteur 1 (E 1). La figure 3 correspondant à une arrivée gravitaire de combustible par une conduite 11' directement dans le réacteur 1 d'un lit fluidisé la vapeur est introduite dans cette descente gravitaire 11' (V 3) ; l'eau peut être pulvérisée sous l'arrivée de cette descente gravitaire 11' dans le réacteur 1 (E 3). La figure 4 correspond à une ou plusieurs arrivées pneumatiques 11 de combustible, dans le réacteur 1 d'un lit fluidisé : la vapeur est introduite directement dans ces arrivées 11 (V 4) ou dans le réacteur en partie basse sous ces arrivées (V 5) ; l'eau sera introduite dans le réacteur sous ces arrivées (E 4). La figure 5 correspond à la combustion des combustibles liquides ou gazeux qui sont introduits dans le réacteur d'un lit fluidisé par des cannes 11 réparties sur le périmètre du réacteur : l'eau ou la vapeur sera introduite autour de chaque canne 11 (V 6 ou E 5). La figure 6 correspond au cas où plusieurs combustibles sont introduits simultanément dans le réacteur d'un lit fluidisé par des méthodes différentes, sans qu'on puisse être certain de leur répartition : dans ce cas, l'eau ou la vapeur est introduite par des cannes d'injection 17 réparties sur la périphérie du réacteur (v 7 ou E 6). La figure 7 correspond à l'injection de la vapeur dans l'air secondaire (V 8) d'un réacteur d'un lit fluidisé. La figure 8 correspond à l'introduction de la vapeur par des buses 18 dans l'air primaire (V 9) du réacteur du lit fluidisé celle-ci pouvant se faire également par des buses spéciales mélangées avec celles de l'air primaire et réparties sur toute la grille 13. Même si les charbons courants exigent beaucoup moins de vapeur d'eau dans leur gaz de combustion que les lignites du fait de leur teneur en azote et en oxygène, il est évident que l'injection d'eau froide dans le réacteur introduit une perte de rendement importante. Une diminution de cette perte peut être obtenue en réchauffant cette eau avant son introduction dans le réacteur par les fumées en aval du réchauffeur d'air 7, comme représenté sur la figure 9. On prévoit un échangeur E disposé entre le réchauffeur 7 et le dépoussiéreur 8 ou en aval du dépoussiéreur 8. On prévoit également un recyclage d'eau R pour que la température de cette eau à l'entrée dans l'échangeur E soit au-dessus de la température de condensation de la vapeur dans les gaz de combustion. L'eau arrive en 19 et après réchauffage est envoyée en 20 dans le réacteur 1 comme il a été décrit dans les exemples ci-dessus. Mais la perte restant encore importante, l'utilisation directe de vapeur injectée dans le réacteur se révèle intéressante 1. Il existe quelquefois dans les usines des réseaux de vapeur basse pression excédentaires où la vapeur a donc un coût très faible. 2. Dans les centrales thermiques, un prélèvement de vapeur sur un soutirage de la turbine à une pression la plus basse possible mais suffisante pour qu'elle puisse être injectée dans le réacteur à lit fluidisé permet de diminuer de façon importante la perte de rendement correspondant à une injection d'eau froide dans le réacteur. Cette solution correspond à la figure 10 où on a représenté la chaudière K, équipée d'un réacteur à lit fluidisé circulant 1, d'un réchauffeur d'air 7, d'un dépoussiéreur 8, d'un ventilateur de tirage 9 et d'une cheminée 10. La turbine à vapeur est constituée d'un corps HP, d'un corps MP et d'un corps BP, suivie d'un condenseur C, d'une pompe d'extraction PE, des réchauffeurs d'eau basse pression R1, R2, R3, d'un dégazeur R4, d'une pompe d'alimentation PA, d'un réchauffeur haute pression R5, ainsi que les soutirages S1, S2, S3, S4 et S5 alimentant les différents réchauffeurs. La vapeur nécessaire à l'élimination du protoxyde d'azote est prélevée sur le soutirage S3 (les soutirages S1 et S2 ayant une pression insuffisante) et envoyée par la conduite 20 pour injection dans le réacteur 1 comme décrits aux figures 2 à 8. Ce prélèvement de vapeur sur la turbine entraîne toutefois un inconvénient il correspond à une consommation d'eau déminéralisée importante. On peut pallier cet inconvénient en utilisant le schéma indiqué sur la figure 11 : l'eau nécessaire à l'injection de vapeur dans le réacteur est préalablement réchauffée dans un échangeur E, disposé sur le circuit des gaz de combustion en aval du réchauffeur d'air 7, et passe dans un distillateur G où elle est vaporisée grâce à la chaleur de condensation de la vapeur prélevée sur le soutirage S3 de la turbine et cette vapeur est injectée dans le réacteur 1 par la conduite 21 ; l'eau condensée est récupérée et réintroduite par exemple dans le réchauffeur basse pression R3. Ce dispositif présente ainsi l'avantage que l'eau d'appoint injectée dans le réacteur sous forme de vapeur basse pression ne nécessite pas une déminéralisation coûteuse mais seulement un éventuel traitement simplifié. Le distillateur a besoin d'être déconcentré par une purge P qui permet de réchauffer l'eau d'appoint injectée en 22 qui, elle-même, est portée - grâce à une recirculation R - à la température suffisante pour être au-dessus de la température de condensation de la vapeur d'eau dans les gaz de combustion de la chaudière. REVENDICATIONS : 1. Procédé pour diminuer la teneur en protoxyde d'azote dans les fumées produites par une combustion oxydante dans un réacteur (1) à lit fluidisé, caractérisé en ce qu'on injecte de l'eau ou de la vapeur d'eau lors de cette combustion 2. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13) des moyens d'introduction d'air secondaire (14) débouchant en dessus de la grille (13), des moyens d'introduction de matériel inerte de lit (15), un cyclone (2) relié au réacteur (1) suivi d'un siphon (3) pourvu d'une gaine de réintroduction dans le réacteur (1) des matières recueillies par le siphon (3), des moyens d'introduction de combustible (11") débouchant dont la gaine du siphon (3), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour injecter de la vapeur (V1, V2) dans les moyens d'introduction de combustible (11") ou dans la gaine du siphon (3). 3. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), des moyens d'introduction d'air secondaire (14) débouchant en dessus de la grille (13) des moyens d'introduction de matériel inerte de lit (15), un cyclone (2) relié au réacteur (1) suivi d'un siphon (3) pourvu d'une gaine de réintroduction dans le réacteur (1) des matières recueillies par le siphon (3), des moyens d'introduction de combustible (11") débouchant dans la gaine du siphon (3), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour injecter de l'eau (El, E2) dans la gaine du siphon (3) ou dans la partie basse du réacteur (1) en dessous du niveau de la gaine du siphon (3). 4. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), des moyens d'introcution par gravitation de combustible comportant une descente (11') débouchant dans le réacteur (1), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour injecter de la vapeur (V3) dans ladite descente (11'). 5. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), des moyens d'introduction par gravitation de combustible comportant une descente (11') dans le réacteur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour injecter de l'eau (E3) directement dans le réacteur (1) en dessous de ladite descente (11'). 6. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), des moyens d'injection pneumatique du combustible comportant une conduite (11) débouchant dans le réacteur (1), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection de vapeur (V4, V5) dans ladite conduite (11) ou directement dans le réacteur (1) en dessous de ladite conduite (11). 7. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), des moyens d'injection pneumatique du combustible comportant une conduite (11) débouchant dans le réacteur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection d'eau (E4) en dessous de ladite conduite (11). 8. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), des moyens d'injection de combustibles liquides ou gazeux comportant une canne (11) débouchant dans le réacteur (1), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens injectant de la vapeur (V 6) dans le réacteur autour desdites cannes (11). 9. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), des moyens d'injection de combustibles liquides ou gazeux comportant des cannes (11) débouchant dans le réacteur (1), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens injectant de l'eau (E5) dans le réacteur autour desdites cannes (11). 10. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), des moyens d'introduction de combustible dans le réacteur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection de vapeur (V7) sur toute la périphérie du réacteur à un niveau situé au-dessus de la grille de fluidisation (13) et en dessous de l'introduction de combustible. 11. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), des moyens d'introduction du combustible dans le réacteur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection d'eau (E6) sur toute la périphérie du réacteur à un niveau situé au-dessus de la grille de fluidisation (13) et en dessous de l'introduction de combustible. 12. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), des moyens d'introduction d'air secondaire dans le réacteur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection de vapeur (V8) dans l'air secondaire. 13. Dispositif à lit fluidisé comportant un réacteur de combustion (1) muni d'une grille de fluidisation (13) du lit, des moyens d'introduction d'air primaire (12) débouchant en dessous de la grille (13), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection de vapeur (V9) en dessous ou au niveau de la grille de fluidisation (13). 14. Dispositif selon l'une des revendications 3, 5, 7, 9, 11 comportant un réchauffeur d'air (7) servant à réchauffer l'air primaire (AP) et l'air secondaire (AS) grâce aux gaz de combustion avant leur introduction dans le réacteur (1), caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur (E) situé dans le circuit des gaz de combustion de la chaudière en aval du réchauffeur d'air (7) ledit échangeur (E) servant à préchauffer l'eau injectée dans le réacteur (1). 15. Dispositif selon l'une des revendications 2, 4, 6, 8, 10, 12, 13 servant à alimenter en vapeur une turbine à vapeur (HP, MP, BP) avec plusieurs soutirages de vapeur (S1, S2, S3, S4, S5), caractérisé en ce que la vapeur injectée dans le réacteur (1) est prélevée sur un soutirage (S3) de la turbine à vapeur. 16. Dispositif selon l'une des revendications 2, 4, 6, 8, 10, 12, 13 servant à alimenter en vapeur une turbine à vapeur (HP, MP, BP) associés à des réchauffeurs d'eau (roi, R2, R3, R4, R5) alimentés par des soutirages de vapeur (S1, S2, S3, S4, S5) de la turbine, caractérisé en ce que la vapeur d'injection dans le réacteur (1) à lit fluidisé est fournie par un distillateur (G) alimenté en chaleur à partir d'un soutirage (S3) de la turbine à vapeur, l'eau condensée dans le distillateur (G) étant retournée à l'un des réchauffeurs d'eau (R3). 17. Dispositif selon l'une des revendications 2, 4, 6, 8, 10, 12, 13, 16 dans lequel la vapeur d'injection dans le réacteur (1) à lit fluidisé est fabriquée à partir d'eau qui est préchauffée dans un échangeur (E) par les gaz de combustion à la sortie du réchauffeur d'air (7) du réacteur.