Brevet FR2704450A1 — publié le 19941104

i L'invention se rapporte à une installation pour réduire les oxydes d'azote dans les gaz d'échappement de combustion, comprenant une unité de combustion, un réacteur servant à la réduction catalytique sélective et un échangeur de chaleur régénératif, qui est employé à la fois pour le préchauffage de l'air et des gaz, pour le traitement des gaz d'échappement qui contiennent des produits nocifs et qui se trouvent en échange de chaleur avec un autre milieu, ledit échangeur de chaleur régénératif comportant des masses d'accumulation fixes ou en circulation, qui sont constituées au moins partiellement en un matériau catalytique et auxquelles est fourni un produit de réduction. Dans de telles installations pour la suppression des produits azotés dans les gaz de combustion provenant d'installation de combustion de centrales thermiques ou industrielles, on utilise des échangeurs de chaleur régénératifs pour les gaz d'échappement, soit désulfurés, soit encore chargés de soufre, provenant d'un générateur de vapeur ou d'une installation de désulfuration, afin de préchauffer l'air de combustion. On peut ainsi largement réduire par exemple les oxydes d'azote (NOx) contenus dans les gaz d'échappement, en réalisant dans ce cas les masses d'accumulation - qui peuvent être réalisées de manière stationnaire ou en rotation - de l'échangeur de chaleur régénératif de manière à être actives en totalité ou en partie sur le plan catalytique, et en ajoutant en tant que produit de réduction par exemple surtout de l'ammoniaque (NH3). Ainsi, il s'agit de la réduction catalytique sélective (SCR) d'oxydes d'azote, dans laquelle la réduction (désoxydation) des oxydes d'azote a lieu par addition de NH3 en présence d'un catalyseur intégré dans l'échangeur de chaleur régénératif (préchauffeur de gaz ou d'air). En règle générale, le gaz qui contient les oxydes d'azote (NOx) est le gaz de combustion d'une unité de combustion, qui traverse à l'extrémité d'un générateur de vapeur l'échangeur de chaleur régénératif afin de préchauffer l'air de combustion. Pour la réduction catalytique sélective d'oxydes d'azote dans les gaz de combustion d'installations de combustion, il est connu d'amener le NH3 sous forme de vapeur, en mélange avec de l'air en tant que gaz porteur sous pression, ou dissous sans pression dans de l'eau, dans les gaz d'échappement qui sortent de l'installation de combustion, et ceci du côté des gaz d'échappement ou des fumées, ou du côté des gaz propres, ou du côté de l'air, ou encore à la fois du côté des gaz d'&échappement et du côté de l'air. Ainsi, le NH3 est mélangé soit aux gaz de fumée avant leur entrée dans le catalyseur, soit à l'air frais à réchauffer avant son entrée dans le catalyseur, ou encore en combinaison des deux côtés. Au moyen de trajets de mélange à l'aide de structures correspondantes à l'intérieur des conduits des gaz d'échappement, on s'efforce de maintenir dans l'écoulement des gaz d'échappement et jusqu'à l'entrée dans le catalyseur une distribution exempte d'irrégularités quant à l'ammoniaque et à la température. Le catalyseur, c'est-à-dire un réacteur qui reçoit des cellules de catalyseur dans un agencement de superposition, est branché, en tenant compte des températures de réaction optimales, à l'intérieur de la conduite des gaz d'échappement de l'échangeur de chaleur régénératif afin de transférer la chaleur des gaz d'&échappement à l'air de combustion qui doit être alimenté à l'installation de combustion. En tant que catalyseurs, des catalyseurs à lit fixe ont en particulier fait leurs preuves, avec écoulement des gaz dirigé verticalement vers le bas, et parmi ces catalyseurs plusieurs sont attaqués de manière alternée par les gaz d'échappements qui doivent être débarrassés de leurs composés azotés. Les catalyseurs à lit fixe réalisés avec une structure en nid d'abeille contiennent en tant que produit actif sur le plan catalytique des composés de vanadium qui favorisent la conversion des oxydes d'azote avec le NH3 introduit auparavant dans le flux des gaz d'échappement et mélangé suivant une répartition fine sur le trajet jusqu'au catalyseur. La réaction avec les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement conduit essentiellement à de l'azote moléculaire et de l'eau en tant que produits de réaction, qui peuvent être alors évacués de manière non nocive dans l'environnement. D'autres détails, ainsi que le procédé habituel pour la réduction catalytique sélective d'oxydes d'azote, ainsi qu'une installation du type indiqué au début sont connus grâce au brevet européen O 226 731. Parmi les deux conceptions d'installation connues de ce document, le réacteur est agencé dans l'un des cas dans une position dite "fortement poussiéreuse" avant l'échangeur de chaleur régénératif réalisé en tant que préchauffeur d'air, position dans laquelle le gaz d'échappement à traiter est encore chargé avec des poussières volantes. Dans le second cas, il s'agit d'un agencement du réacteur dit en branchement "aval", qui se trouve derrière le dépoussiérage et la désulfuration des gaz de fumée et auquel est associé un échangeur de chaleur régénératif réalisé en tant que préchauffeur de gaz. La liaison d'un réacteur branché en aval avec un préchauffeur de gaz est nécessaire afm d'obtenir la température de réaction nécessaire pour le procédé SCR, c'est-à-dire la réduction catalytique sélective. Aussi bien dans l'agencement dans la région "fortement poussiéreuse" que dans l'agencement branché en aval, le réacteur est l'une des composantes individuelles prévues au-dessus du préchauffeur d'air ou de gaz, qui suppose des constructions propres et les canaux de liaison nécessaires. L'invention a pour objectif de réaliser une installation du type indiqué au début, de telle manière que l'on peut procéder de manière efficace sur le plan technique et proprement à la réduction des oxydes d'azote dans les gaz de combustion avec une complexité et un coût moindres. Cet objectif est atteint conformément à l'invention par le fait que le réacteur est agencé au centre au-dessus de l'échangeur de chaleur régénératif, de préférence posé directement sur le boîtier de l'échangeur de chaleur. Grâce à l'agencement centré des catalyseurs du réacteur par rapport à l'échangeur de chaleur régénératif on peut atteindre un guidage optimal et avantageux en terme d'écoulement des gaz, avec des pertes de pression réduites au minimum. Le mode de construction compact ainsi possible grâce au fait de poser le réacteur sur le préchauffeur d'air ou de gaz, mène à une reprise commune des charges et permet de supprimer une structure séparée additionnelle, à savoir un châssis porteur qui serait sinon encombrant, grâce à quoi on peut économiser à la fois de la matière et par conséquent du poids. En outre, les éléments structurels et encombrement de l'installation sont réduits de façon correspondante. Dans une installation qui comprend un échangeur de chaleur régénératif avec des capots à ailettes en rotation, si les deux capots à ailettes sont décalés de 90 l'un par rapport à l'autre, on peut obtenir un agencement des capots appelé "semi-inversé", qui présente l'avantage qu'à l'intérieur des capots il existe à chaque fois un écoulement accéléré, ce qui signifie une plus faible chute de pression par rapport aux agencements habituels. Grâce au décalage des deux capots à ailettes en rotation, qui commandent l'échange gazeux, le gaz qui pénètre dans ce cas par le bas s'écoule autour du capot à ailettes inférieur (dans l'exemple d'un préchauffeur d'air), tandis qu'au contraire, l'air s'écoule après la sortie des surfaces de chauffage du préchauffeur d'air en entourant le capot à ailettes supérieur. De manière correspondante, les gaz d'échappement amenés en contre courant sont amenés ensuite au réacteur, c'est-à-dire à l'entrée du préchauffeur d'air régénératif autour du capot à ailettes supérieur, tandis que ces gaz d'échappement sont amenés du côté de la sortie du préchauffeur d'air à travers le capot à ailettes inférieur. Selon une réalisation de l'invention, il est proposé de doter l'échangeur de chaleur régénératif de cellules de catalyseur. Le mode de construction compact que l'on atteint en groupant dans l'espace un réacteur avec un préchauffeur d'air ou de gaz régénératif, peut être encore favorisé en ce que l'on déplace en fait un étage de cellules de catalyseur que l'on devrait sinon loger dans le réacteur vers l'échangeur de chaleur régénératif. Grâce à l'intégration des éléments de catalyseur dans les stators du préchauffeur d'air régénératif, par exemple, on peut atteindre que ceuxci agissent en tant que surfaces de chauffage et de réaction. Les cellules de catalyseur intégrées dans le préchauffeur d'air et servant simultanément de surfaces de chauffage ou de masse d'accumulation permettent grâce à la répartition ainsi atteinte dans un réacteur ou dans une région d'échange de chaleur d'adapter de manière efficace les conditions de fonctionnement des catalyseurs en particulier en tenant compte des températures et des temps de séjour déterminants pour la réaction. Avant tout, on peut favoriser une injection ciblée des produits de réduction, par du NH3 dans un préchauffeur d'air, que l'on peut effectuer également depuis le côté air via un secteur particulier. Il est par conséquent recommandé d'agencer les injections de produits de réduction du côté des gaz bruts et/ou des gaz d'échappement ou encore du côté air de l'échangeur de chaleur. Dans le cas d'un échangeur de chaleur régénératif réalisé en tant que préchauffeur de gaz, comme dans le cas d'un réacteur branché en aval d'une unité de désulfuration de gaz de fumée, on peut admettre de façon ciblée les produits de réduction additionnellement également via un secteur séparé entre la phase des gaz purs et la phase des gaz d'échappement, vers les cellules à masses d'accumulation catalytiques intégrées dans le préchauffeur de gaz. Si l'échangeur de chaleur régénératif est réalisé sous la forme d'un préchauffeur d'air, les produits de réduction peuvent être admis aussi bien du côté des gaz d'échappement que du côté air. Une admission ciblée et bien dosée du produit de réduction aux emplacements les plus appropriés des catalyseurs, aussi bien du réacteur que de l'échangeur de chaleur régénératif, favorise l'optimisation de la réduction des oxydes d'azote et assure en correspondance une minimisation de la fuite de produits de réduction non utilisés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui va suivre, dans laquelle quelques exemples de réalisation du dispositif de l'invention sont expliqués plus en détail. Les figures montrent: fig. 1: une illustration schématique d'un réacteur selon l'invention, posé au centre sur un échangeur de chaleur régénératif réalisé en tant que préchauffeur d'air, constituant un détail d'une installation de réduction d'oxyde d'azote, qui n'est pas représentée par ailleurs; fig. 2: la combinaison de l'échangeur de chaleur et du réacteur, selon la fig. 1, avec les cellules de catalyseur intégrées dans le préchauffeur d'air; fig. 3: un exemple du mode de construction compact du réacteur agencé au centre sur un échangeur de chaleur régénératif, dans lequel l'échangeur de chaleur est réalisé en tant que préchauffeur de gaz, en représentation schématique; et fig. 4 la combinaison de l'échangeur de chaleur et du réacteur de la fig. 3, avec des cellules de catalyseur intégrées dans le préchauffeur de gaz. Un échangeur de chaleur régénératif 1 montré à la fig. 1, est réalisé en tant que préchauffeur d'air 2, vers lequel s'écoulent des gaz d'échappement chauds contenant des composés NOx provenant d'un générateur de vapeur non représenté, via un canal 3. Les gaz d'échappement chauds G, désignés en bref par la suite par gaz, s'écoulent ainsi depuis le haut dans le préchauffeur d'air 2, qui comprend dans sa partie médiane un accumulateur de chaleur constitué de deux étages superposés de surfaces chauffantes 4a, 4b. Au-dessous de l'étage supérieur des surfaces chauffantes 4a, ou au-dessus de l'étage supérieur des surfaces chauffantes 4b, sont agencés respectivement des capots à ailettes 5, 6 segmentés, qui sont décalés de 90 l'un par rapport à l'autre et tournent conjointement autour d'un axe vertical 7. Un réacteur 8 est branché avant le préchauffeur d'air 2, ou l'échangeur de chaleur régénératif 1, et ce réacteur 8 est posé au moyen de son boîtier 9 directement sur le boîtier 10 du préchauffeur, et ceci avec ses cellules de catalyseur lia, llb, llc, superposées en trois étages, au-dessus du préchauffeur d'air 2 et de façon centrée par rapport à l'échangeur de chaleur régénératif 1. L'unité structurelle par conséquent compacte, formée par le réacteur 8 et l'échangeur de chaleur régénératif 1 s'appuie sur une ossature de support commune 12 sur la fondation. Le gaz G incident arrive après son entrée dans le canal 3 tout d'abord dans les cellules de catalyseur lia, I lb, l1c du réacteur 8, et sur le parcours du gaz G à travers les cellules de catalyseurs 1 la, 1 lb et 1 lc, il se produit une réduction des NOx par adsorption de NH3. Afin de pouvoir obtenir la réduction des NOx, on introduit en tant que produit de réduction du NH3 avec de l'air porteur préchauffé via un tube d'alimentation 13 dans le réacteur 8, ou de ses cellules de catalyseur 1 la à l lc. Le gaz G qui sort de l'étage inférieur de cellules de catalyseur l c, vu dans la direction d'écoulement, est donc libéré d'oxydes d'azote, ce qui est indiqué par les flèches d'écoulement caractérisées par des hachures après la sortie du gaz, et pénètre sous la forme de gaz purifié dans les masses d'accumulation des surfaces chauffantes 4a, 4b du préchauffeur d'air. Grâce à l'agencement en décalage de 90 l'un par rapport à l'autre des capots à ailettes 5, 6, le gaz purifié s'écoule autour du capot à ailettes supérieur 6, pénètre ensuite dans les surfaces chauffantes 4a, 4b, réchauffe celles-ci en se refroidissant lui-même de ce fait, et est évacué sous une forme purifiée via le canal 14 qui se raccorde en bas. Depuis l'extrémité inférieure, une conduite 15 est raccordée au préchauffeur 2, et de l'air de combustion froid et propre L, désigné brièvement par la suite comme "air", est admis en contre-courant par rapport au gaz G vers les surfaces chauffantes préchauffées 4a, 4b du préchauffeur d'air 2, et ceci de telle manière, en raison des capots à ailettes décalés 5, 6 que l'air L s'écoule autour du capot à ailettes inférieur 5, avant de pénétrer dans les surfaces chauffantes 4a, 4b, et d'être amené ensuite sous la forme d'air chaud vers l'installation de combustion via le capot à ailettes supérieur 6 et un canal 16 qui s'y raccorde. Grâce au mouvement de rotation des capots 5, 6, ce sont ici en permanence des parties différentes des surfaces chauffantes 4a, 4b du préchauffeur à air 2 qui sont exposés au gaz purifié chaud, ou à l'air L admis. Une variante de l'unité structurelle de la fig. 1 est montrée à la fig. 2, de sorte que les mêmes parties sont désignées par les mêmes références. A la différence du mode de réalisation de la fig. 1, l'étage inférieur des cellules de catalyseur 1 1 c, vu dans la direction d'écoulement du gaz G, a été déplacé hors du réacteur 8 et constitue ici une composante intégrée du préchauffeur d'air régénératif 2. Le réacteur 8, posé au centre sur le boîtier 10 du préchauffeur d'air 2, contient par conséquent uniquement deux étages de cellules de catalyseur 1 la, 1 1b, tandis que les cellules de catalyseur 1 lc forment un composant intégré du préchauffeur 2, et y sont agencées au-dessus des surfaces chauffantes 4b. Grâce à la division du préchauffeur d'air 2 en une zone de réacteur, à savoir celle des cellules de catalyseur 1 c, et une zone d'échange de chaleur, à savoir celle des surfaces chauffantes 4b, il en résulte des variantes optimales de l'admission de NH3, qui peut être injecté aussi bien du côté gaz, via le tube d'alimentation 13, que du côté air, via l'admission 21, par exemple au moyen d'un secteur fermé non représenté qui guide le NH3 de façon ciblée vers les cellules de catalyseur 11 c. L'unité structurelle compacte, illustrée aux figs. 3 et 4, que l'on obtient en posant le réacteur 8 au centre sur le boîtier 10 de l'échangeur de chaleur, est dotée d'un échangeur de chaleur régénératif 1, qui fonctionne en tant que préchauffeur de chaleur 17 à cause de son agencement en aval de l'installation de désulfuration des gaz à l'intérieur de l'installation de réduction des oxydes d'azote, mais qui ne présente, comme par ailleurs également les autres parties de l'unité structurelle combinée, aucune différence essentielle par rapport à la réalisation des figs. 1 et 2 de sorte que les parties identiques sont désignées par les mêmes chiffres de référence. Le gaz froid G s'écoule en tant que gaz brut depuis l'installation de désulfuration non représentée pour les gaz d'échappement, via un canal 18 dans les surfaces chauffantes 4a, 4b du préchauffeur de gaz 17, ces surfaces se refroidissant de ce fait. Le gaz G qui sort du préchauffeur de gaz 17 via le capot à ailettes supérieur 6 arrive à travers une unité de chauffage additionnelle 19 à la température nécessaire pour une réaction, en contre-courant à travers les cellules de catalyseur 1 la, 1 lb, 1 1c du réacteur 8 et quitte celui-ci sous la forme de gaz purifié RG (voir les flèches blanches continues). A la suite de ceci, le gaz purifié chaud RG s'écoule autour du capot à ailettes supérieur 6, il est ensuite introduit dans les surfaces de chauffe 4a, 4b du préchauffeur de gaz 17, refroidi, et amené depuis celui-ci vers la cheminée via le capot à ailettes inférieur 5 et le canal d'évacuation 14. Le produit de réduction (NH3) est ici amené du côté des gaz bruts d'une part via le tube d'admission 13 et en addition via une buse supplémentaire 20 pour les produits de réduction. Dans l'unité structurelle compacte montrée à la fig. 4, formée par le réacteur 8 posé au centre sur l'échangeur de chaleur régénératif 1, ou le préchauffeur de gaz 17, le préchauffeur de gaz 17 comporte un étage intégré de cellules de catalyseur 1 lc (voir fig. 3), de sorte que le réacteur 8 contient uniquement les deux étages de cellules de catalyseur 1 la, 1 lb au lieu de trois étages superposés de cellules de catalyseur. De façon analogue aux possibilités d'injection pour le produit de réaction décrites pour le préchauffeur d'air de la fig. 2, on obtient également pour le préchauffeur de gaz 17 des variantes optimales pour l'admission de NH3, qui peut être injecté aussi bien depuis le côté gaz via les tubes d'admission 13 et 20 que depuis le côté du gaz purifié via une alimentation 21, par exemple au moyen d'un secteur fermé non représenté, qui mène le NH3 de façon ciblée vers les cellules de catalyseur 11c. Sinon, le mode de fonctionnement de l'exemple de réalisation de la fig. 4 ne diffère pas de celui qui a été décrit en relation avec la figure 3. lJ est en particulier commun à tous les exemples de réalisation que grâce à la symétrie centrale de l'échangeur de chaleur régénératif 1 (préchauffeur 2 ou préchauffeur de gaz 17) et du réacteur 8, il résulte un meilleur guidage de l'écoulement ainsi que des possibilités variables pour l'injection du produit de réduction. Grâce au regroupement spatial, il est possible de supporter les catalyseurs ou le réacteur 8 directement sur l'échangeur de chaleur régénératif, ce qui procure des économies de poids et des dimensions réduites. Revendications 1. Installation pour la réduction des oxydes d'azote dans les gaz d'échappement d'unités de combustion, comprenant une installation de combustion, un réacteur qui sert à la réduction catalytique sélective, et un échangeur de chaleur régénératif, employé tant pour le préchauffage de l'air que pour le préchauffage du gaz, pour le traitement des gaz d'échappement chargés de produits nocifs, qui se trouvent en échange de chaleur avec un autre milieu, ledit échangeur de chaleur régénératif comprenant des masses d'accumulation fixes ou en rotation, qui sont constituées au moins partiellement en matériau catalytique, et auxquelles est admis un produit de réduction, caractérisée en ce que le réacteur (8) est agencé au centre au-dessus de l'échangeur de chaleur régénératif (1; 2, 17). 2. Installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réacteur (8) est posé directement sur le boîtier de l'échangeur de chaleur (2; 17). 3. Installation selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, dans laquelle l'échangeur de chaleur régénératif comprend des capots à ailettes rotatifs, caractérisée en ce que les deux capots à ailettes (5, 6) sont décalés de 90 l'un par rapport à l'autre. 4. Installation selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur régénératif (1; 2, 17) est pourvu de cellules de catalyseur (1 lc). 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les injections (13; 20) de produits de réduction sont agencées sur le côté des gaz bruts et/ou le côté des gaz purifiés ou du côté air de l'échangeur (1;2, 17).