Brevet FR2735560A1 — publié le 19961220

Procédé et dispositif pour réduire les émissions de polluants dans les fumées d'un système de chauffe à lit fluidisé par étagement des injections de combustible L'invention s'applique à un système de chauffe comprenant un foyer à lit fluidisé circulant, un séparateur de particules en aval du foyer sous forme d'au moins un cyclone et un conduit sortant du séparateur et menant vers une chaudière de récupération. La combustion en lit fluidisé circulant est une technique en développement pour la production d'énergie. L'injection de calcaire dans le foyer pour désulfurer les fumées chargées en 502 y est très efficace. La technique est particulièrement bien adaptée à la combustion de combustibles solides difficiles, comme les charbons cendreux ou, à l'extrême, de biomasses, qui ne nécessitent pas une préparation compliquée. En maintenant une température modérée à l'intérieur du foyer, de l'ordre de 850 C et, en prévoyant un étagement d'injections d'air au niveau du foyer, on obtient une réduction des émissions d'oxydes d'azote (NO, NO2 regroupés sous le terme NOx) dans les fumées de combustion mais, en contrepartie, des émissions d'oxyde nitreux N20 nuisibles à l'environnement. C'est particulièrement le cas quand on brûle des combustibles solides du type charbon bitumineux. Le but de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif pour réduire simultanément les émissions d'oxydes d'azote (NO, NO2), d'oxyde nitreux (N20), de monoxyde de carbone (CO) et d'imbrûlés solides dans les fumées de combustion dégagées par un foyer à lit fluidisé circulant d'un système de chauffe incluant un séparateur de particules en aval du foyer sous forme d'au moins un cyclone et un conduit sortant du séparateur de particules et menant vers une chaudière de récupération. Le procédé selon l'invention est caractérisé par: a) une première injection, dans le foyer, d'un combustible solide mis sous une forme broyée ou concassée, b) une seconde injection, dans le conduit, du combustible solide mis sous une forme micronisée pour créer des espèces réductrices des émissions d'oxydes d'azote et d'oxyde nitreux dans les fumées de combustion et, c) une troisième injection, dans ledit conduit et en aval de la seconde injection, d'air pour oxyder ensuite le carbone résiduel sous toutes ses formes ainsi que les espèces réductrices. A noter que la combustion primaire en lit fluidisé circulant à injections d'air étagées permet de traiter un combustible solide peu préparé et d'assurer une désulfuration primaire et un bas niveau de NOx améliorés de façon significative en comparaison d'une combustion à partir de charbon pulvérisé. Par ailleurs, en appliquant le procédé selon l'invention, il se crée une zone de température élevée dans le conduit, susceptible de réduire les émissions de N20, de CO, CnHm et d'imbrûlés solides. Ainsi, on obtient des émissions d'oxyde nitreux, de monoxyde de carbone et de particules solides imbrûlées en quantités très faibles et comparables à celles de la combustion à partir de charbon pulvérisé. Grâce au procédé selon l'invention, on peut mieux contrôler la température à l'entrée de la chaudière de récupération pour des faibles charges puisque l'injection de combustible et d'air dans le conduit en amont de cette chaudière de récupération permet d'obtenir une compensation de la chute de température des fumées de combustion dans le foyer à lit fluidisé circulant. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la troisième injection d'air est combinée avec une injection de combustible solide micronisé à l'aide d'un ou plusieurs brûleurs ce qui permet de découpler les besoins en espèces réductrices pour la diminution des émissions de polluants vis-à-vis des besoins thermiques en élévation de température des fumées. Il est à souligner que le procédé selon l'invention s'adapte particulièrement bien à l'utilisation d'un cycle vapeur de type ultra supercritique comme on le verra par la suite. Les avantages indiqués ci-dessus peuvent être obtenus à partir d'un combustible solide comme le charbon. Le combustible solide micronisé est préparé dans ce cas, de préférence, à partir d'une fraction fine du charbon concassé ou broyé servant à alimenter le foyer de sorte qu'on utilise le même combustible pour l'ensemble du cycle de combustion. L'invention concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, ce dispositif comprenant un conduit ayant un tronçon vertical en sortie du séparateur de particules et le long duquel sont étagées les seconde et troisième injections, la troisième injection d'air combinée ou non avec du combustible solide micronisé étant-placée à un changement de direction de ce tronçon vertical vers la chaudière de récupération. Un exemple de réalisation de l'invention est décrit ci-après en référence à la figure unique qui montre schématiquement un système de chauffe selon l'invention. Sur la figure, le système de chauffe comprend un foyer à lit fluidisé circulant 1, un séparateur externe de particules placé en aval du foyer et se présentant sous la forme d'au moins un cyclone tel que 2, un premier conduit 3 pour renvoyer du cyclone vers le bas du foyer 1, les particules séparées des fumées de combustion 5. Du charbon concassé ou broyé, est introduit en 7 dans le foyer qui est équipé de conduits étagés d'injection d'air (non représentés). Du calcaire peut être introduit dans le foyer 1 en vue de désulfurer les fumées de combustion 5 chargées en S02. Un second conduit 8 est installé en sortie du séparateur de particules 2 pour évacuer les fumées de combustion vers une chaudière de récupération 9 comportant des surfaces de chauffe par convection indiquées par 10. Le conduit 8 comporte un tronçon vertical sortant du séparateur 2 et un tronçon sensiblement horizontal menant à l'entrée de la chaudière 9. Une injection de charbon micronisé est effectuée en 11 dans le tronçon vertical du conduit 8 et à proximité de la sortie du séparateur 2. Le charbon micronisé peut être amené par un moyen de transport pneumatique ou en pulpe pour des raisons de sécurité. L'injection en 11 de charbon micronisé en sortie du lit fluidisé circulant crée des espèces du type CnHm aptes à réduire simultanément les émissions de NOx et N20 dans les fumées de combustion. Une injection d'air est effectuée en 12 en aval de l'injection en 11, pour oxyder le carbone résiduel sous toutes ses formes et les espèces réductrices présents dans le milieu réducteur avant que les fumées de combustion entrent dans la chaudière 9, cette injection d'air en 12 étant effectuée en direction du tronçon horizontal du conduit 8 qui débouche dans la chaudière 9, c'est-à-dire au changement de direction du conduit 8 vers la chaudière 9. A noter que les deux étages d'injection de charbon micronisé et d'air permettent d'augmenter la température des fumées de combustion très sensiblement. Cette élévation de température permet également d'obtenir une réduction importante des émissions de N2O, CO et d'imbrûlés solides. La réduction des imbrûlés solides évitera la formation ultérieure de monoxyde de carbone qui se forme à partir des dépôts d'imbrûlés solides dans la chaudière de récupération 9. L'injection d'air en 12 est dirigée de façon axiale dans le tronçon horizontal du conduit 8 ou de façon tourbillonnaire dans celui-ci. Cette gaine peut avoir une section constante ou s'évaser en direction de la chaudière 9 de façon à promouvoir des courants de recirculations gaz/solides entre la zone centrale d'écoulement et la zone annulaire périphérique dans la gaine. L'injection d'air en 12 est de préférence combinée à une injection additionnelle de charbon micronisé. Plus particulièrement, il est prévu un ou plusieurs brûleurs additionnels à charbon micronisé (non représentés) combinant simultanément une injection de charbon micronisé avec une injection d'air en 12, ce qui permet de découpler les besoins chimiques des besoins thermiques comme indiqué cidessus. Le ou les brûleurs additionnels sont de préférence du type bas NOx avec étagement d'air et la zone finale de combustion dans la gaine peut être tubée ou garnie d'un matériau réfractaire. L'injection du combustible solide micronisé en 11 est dirigée de façon radiale ou tangentielle dans le tronçon vertical du conduit 8, suivant une configuration multipoints, en prenant avantage ou non du vortex résiduel de chaque cyclone 2. De préférence, le charbon micronisé injecté en 11 et 12 a une granulométrie ayant un d50 (diamètre moyen correspondant à 50% de refus et 50% de passant) inférieur à 50 microns. Il est préparé à partir d'une fraction fine contenue dans le charbon concassé ou broyé introduit en 6 et servant à alimenter le foyer en 7, par exemple par tamisage au moyen du séparateur 13 et micronisation de ce dernier par le microniseur 14. De la sorte, on utilise un seul type de combustible solide ce qui contribue à réduire les coûts de mise en oeuvre du procédé de combustion, le charbon étant lui même un combustible bon marché et facile à manipuler à l'état solide. La répartition, en poids, du combustible solide introduit, varie de 70%-30% à 97%-3% entre la part introduite dans le foyer et la part introduite dans le conduit 8. Par ailleurs, la zone du lit fluidisé circulant est portée à une température moyenne comprise entre 750 et 950C, la zone d'injection en 11 de combustible solide micronisé est portée à une température moyenne comprise entre 750 et 12500C et la zone d'injection en 12 d'air (combiné ou non avec du combustible solide micronisé) est portée à une température moyenne comprise entre 950 et 1250ex. Le temps de séjour des fumées de combustion dans la zone d'injection entre 11 et 12 est compris de préférence entre 0,1 et 2 secondes.Le temps de séjour des fumées dans la zone comprise entre 12 et le premier surchauffeur 10 de la chaudière 9 est compris de préférence entre 0,5 et 4 secondes. La présente description n'est pas limitative. Elle s'applique à n'importe quel type de lit fluidisé, atmosphérique ou sous pression, ainsi qu'à des systèmes de chauffe comportant un seul foyer avec plusieurs cyclones et une seule chaudière de récupération. L'introduction du charbon micronisé peut se faire sous forme de pulpe eau/charbon souvent disponible sur un site minier. Le conduit 8, entre le cyclone et la chaudière de récupération, peut ne pas comporter de partie horizontale et être totalement ou partiellement vertical ou partiellement incliné.Le charbon micronisé injecté dans le conduit 8 en 11 et/ou 12 peut être d'une autre provenance que le charbon injecté en 7, en particulier si la composition de ce dernier est-elle qu'il nécessite un long temps de séjour pour brûler complètement ou si il peut être source importante d'érosion, de corrosion, de pollution ou d'encrassement des surfaces d'échange de la chaudière. Par ailleurs, dans un cycle vapeur conventionnel, le surchauffeur haute température situé en tête de la chaudière de récupération 9 produit une vapeur à 560 C tandis que les fumées sont à environ 850 C, soit une différence de température d'environ 3000 C. Une chaudière de récupération 9 fonctionnnant suivant un cycle de vapeur de type ultra supercritique doit fournir de la vapeur à une pression supérieure à 250 bars et à une température supérieure à 560in, typiquement 650vu. Par conséquent, on voit que le procédé selon l'invention est particulièrement adapté à l'utilisation de cycles vapeur de type ultra supercritiques. En effet, avec le procédé selon l'invention, on dispose de fumées dont la température peut atteindre 1250"C juste à l'entrée de la chaudière de récupération 9, soit une différence de température d'environ 600 C au lieu de 200C avec une chauffe à lit fluidisé conventionnelle, ce qui permet de réduire les surfaces nécessaires à l'échange de chaleur. REVENDICATIONS 1/ Un procédé pour réduire les émissions de polluants dans les fumées de combustion (5) d'un foyer (1) à lit fluidisé circulant d'un système de chauffe incluant un séparateur de particules (2) en aval du foyer et un conduit (8) sortant du séparateur de particules et menant vers une chaudière de récupération (9), caractérisé nar: a) une première injection (7), dans le foyer (1), d'un combustible solide mis sous une forme broyée ou concassée, b) une seconde injection (11), dans le conduit (8), d'un combustible solide mis sous une forme micronisée pour créer des espèces réductrices des émissions d'oxydes d'azote et d'oxyde nitreux dans les fumées de combustion et, c) une troisième injection (12), dans le conduit (8) et en aval de la seconde injection (11), d'air pour oxyder ensuite le carbone résiduel sous toutes ses formes ainsi que les espèces réductrices. 2/ Le procédé selon la revendication 1, dans lequel la troisième injection (12) d'air est combinée, à l'aide d'au moins un brûleur, avec une injection additionnelle de combustible solide mis sous une forme micronisée. 3/ Le procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le combustible solide est du charbon. 4/ Le procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'air est dirigé de façon axiale ou de façon tourbillonnaire dans le conduit (8). 5/ Le procédé selon la revendication 1, dans lequel le combustible solide micronisé est injecté de façon radiale ou tangentielle dans le conduit (8). 6/ Le procédé selon la revendication 3, dans lequel le charbon micronisé a une granulométrie ayant un d50 inférieur à 50 microns. 7/ Le procédé selon la revendication 3, dans lequel le charbon solide micronisé est introduit dans le conduit (8) sous forme de pulpe. 8/ Le procédé selon la revendication 3, dans lequel le charbon solide micronisé est préparé et séparé à partir d'une fraction fine du charbon concassé ou broyé introduit dans le foyer (1). 9/ Le procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la répartition, en poids, du combustible solide introduit, varie de 70%-30% à 97%-3% entre la part introduite dans le foyer (1) et la part introduite dans le conduit (8). 10/ Le procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la zone où est réalisée la première injection (7) est portée à une température moyenne comprise entre 750 et 950 , la zone où est réalisée la seconde injection (11) est portée à une température moyenne comprise entre 750 et 1250 et la zone où est réalisée la troisième injection (12) est portée à une température moyenne comprise entre 950 et 1250e. 11/ Le procédé selon la revendication 10, dans lequel la chaudière de récupération (9) fonctionne avec un cycle de vapeur ultra supercritique. 12/ Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant un conduit (8) ayant un tronçon vertical en sortie du séparateur de particules (2) et le long duquel sont étagées les seconde (11) et troisième (12) injections, la troisième injection (12) étant placée à un changement de direction de ce tronçon vertical vers la chaudière de récupération (9).