Brevet FR2773388A1 — publié le 19990709

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour la combustion de combustible solide pulvérisé. La combustion de charbon pulvérisé est la technique principale employée pour produire de l'électricité à partir d'un combustible solide d'origine fossile. Une évolution de cette technique conduit à un étagement de l'air employé pour la combustion et des combustibles en vue de diminuer les émissions d'oxyde d'azote et de satisfaire aux réglementations mises en place en matière de protection de l'environnement. Une limitation des émissions d'oxydes d'azote NOx nocifs peut notamment être obtenue en favorisant la libération des espèces azotées du combustible en milieu faiblement oxydant, voire en milieu réducteur. Une telle limitation est obtenue de manière connue en combinant un étagement de l'air selon la technique couramment désignée par l'expression anglaise "overfire air" ou "OFA", avec une utilisation de brûleurs de combustible solide pulvérisé, I'étagement pouvant atteindre jusquà 40 % de l'air total. Des phases riches et pauvres en terme de concentration de combustible pulvérisé peuvent être réalisées. La création de ces phases riches et pauvres est susceptible d'être réalisée par des appareils enrichisseurs centrifuges ou à coudes installés sur les tuyauteries d'alimentation des brûleurs, au moins deux courants physiquement séparés étant créés à partir du combustible pulvérisé produit par des broyeurs. La phase riche représente typiquement 60 à 90% du combustible pulvérisé et 30 à 70% de l'air de transport. Toutefois cette approche n'est pas pleinement satisfaisante, car les performances en matière de limitation des oxydes d'azote NOx ne sont que de 300 à 400 mg/Nm3, alors que 200 mg/Nm3 sont prévus par la réglementation actuellement en gestation. I1 est connu par ailleurs de pratiquer une recombustion, couramment désignée par l'expression anglaise "reburning", en aval d'une combustion principale grâce à une injection secondaire de combustible micronisé générant des espèces réductrices d'oxydes d'azote du type CnHrn par craquage thermique, cette injection secondaire étant suivie d'une injection d'air finale. Cette technique a pour inconvénient d'impliquer un temps de séjour prolongé des fumées, produites par les brûleurs principaux, dans la zone de recombustion. Ce temps de séjour prolongé qui est par exemple de l'ordre de 0,5 seconde, implique une augmentation de hauteur de foyer qui se traduit par une augmentation des coûts d'investissement. De plus le développement d'une zone réductrice de recombustion sur une hauteur importante d'un foyer de chaudière est susceptible de conduire à des phénomènes de corrosion d'écrans, si des charbons chlorés sont brûlés. L'invention propose donc un procédé pour la combustion de combustible solide pulvérisé transporté par un courant d'air qui est exploité de manière à engendrer au moins deux phases ayant des richesses en combustible pulvérisé qui sont différentes. Selon une caractéristique de l'invention, il est prévu une étape d'enrichissement au cours de laquelle une phase riche en combustible pulvérisé et une phase pauvre sont créées au niveau de chacun des brûleurs d'un dispositif de combustion dans une chaudière. L'invention propose aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé cidessus. Chaque brûleur de ce dispositif comporte une enveloppe au moins approximativement cylindrique à laquelle sont associés des moyens agissant sur le courant d'air primaire, chargé de combustible pulvérisé destiné à être brûlé par ce brûleur, pour générer une phase centrale ou le combustible pulvérisé est dilué et au moins une phase périphérique riche où le combustible pulvérisé est concentré de manière que la phase riche entoure la phase pauvre au niveau de la flamme obtenue avec l'aide d'air secondaire introduit par des injecteurs périphériquement disposés par rapport au brûleur. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit en liaison avec les figures évoquées ci-dessous. La figure 1 présente un schéma de principe en coupe axiale d'un brûleur de dispositif de combustion, de type axial, selon l'invention. La figure 2 présente un schéma de principe en coupe axiale d'un brûleur de dispositif de combustion, de type tangentiel, selon une première variante de l'invention. La figure 3 présente un schéma de principe en coupe axiale d'un brûleur d'un dispositif de combustion, de type axial, selon une seconde variante de l'invention, auquel sont associés des moyens de génération des courants combustibles. La figure 4 présente un schéma de principe en coupe axiale d'un brûleur produisant trois phases concentriques d'un dispositif de combustion, de type axial, selon la seconde variante de réalisation de l'invention. La figure 5 présente un schéma de principe en coupe axiale d'un brûleur d'une dispositif de combustion, de type axial, selon une dernière variante de réalisation de l'invention. La figure 6 présente un schéma en vue de gauche du brûleur selon la figure 5. Comme indiqué plus haut, le procédé et les dispositifs de combustion de combustible solide pulvérisé, selon l'invention, sont plus particulièrement destinés à être mis en oeuvre dans le cadre d'installations qui produisent industriellement de l'électricité et qui utilisent à cet effet des chaudières ou est brûlé un combustible solide pulvérisé de chauffage, tel que notamment du charbon ou du lignite. Ils ont plus particulièrement pour objet de permettre de réaliser une recombustion au niveau de chacun des brûleurs principaux comportés par une chaudière. Au moins deux phases, l'une riche en combustible et au moins une autre plus pauvre sont ménagées dans les brûleurs principaux d'une chaudière, avec chacune son propre rapport air/combustible pulvérisé. Une combinaison de ces phases d'une manière appropriée permet de créer un confinement de la zone de combustion de la phase la plus pauvre en combustible pulvérisé d'un brûleur par au moins une zone de combustion de phase plus riche. Les oxydes d'azote NOx, de nature fatale, qui sont créés par la combustion d'une phase pauvre au niveau d'un brûleur, traversent alors des couches réductrices de fluide développées par la combustion de la ou des couche(s) plus riche(s) qui l'entoure(nt). L'utilisation de deux ou trois phases relève d'un choix technique dépendant du degré d'ajustement souhaité en matière de temps de séjour, de champ de température et de recirculation interne. Ce choix est fonction des caractéristiques du combustible solide pulvérisé, notamment de sa finesse, de sa réactivité, de sa teneur en azote et de la forme de liaison de cet azote. Il est prévu de séparer les phases, soit en amont des brûleurs, soit dans les brûleurs eux-mêmes. La figure I présente un premier exemple de dispositif de combustion pour brûleur de chauffage à enrichisseur permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le brûleur représenté est supposé être un brûleur comportant une enveloppe 1 d'allure au moins approximativement cylindrique dans laquelle est injecté un courant d'air primaire chargé de combustible solide pulvérisé, ici symbolisé par une flèche référencée ACP. Ce courant d'air chargé est par exemple fourni par un broyeur de combustible solide, non représenté, qui permet de fournir, de manière connue en soi, des particules de combustible pulvérisé de taille déterminée à des moyens, eux aussi non représentés1 qui assurent l'injection de ces particules dans un courant d'air avec une répartition déterminée. La granulométrie du combustible pulvérisé qui est obtenu est par exemple telle qu'il y ait un refus de l'ordre de 60 à 90 % avec un tamis de 74 microns. La répartition du combustible pulvérisé entre la phase riche référencée PR et la phase pauvre référencée PP est par exemple susceptible d'être choisie dans une gamme de rapports allant de 60 - 40 % à 90 - 10 %, la répartition d'air primaire pouvant varier dans la gamme de 30 - 70 % à 50 - 50 %. Le rapport stoechiométrique de combustion des matières volatiles correspondant varie de 0,1 à 0,8 pour la phase riche et de 1 à 7 pour la phase pauvre. La vitesse d'injection de l'air chargé de combustible pulvérisé est par exemple de l'ordre de 15 à 40 m/s pour les différentes phases, chaque brûleur étant prévu entouré d'injecteurs d'air secondaire, symbolisés par des flèches référencées AS, qui sont susceptibles de soutenir des vitesses d'injection d'air allant par exemple de 20 à 80 m/s. Le dispositif de type axial, schématisé sur la figure 1, comporte un corps de brûleur doté d'une enveloppe 1 d'allure cylindrique entouré d'injecteurs d'air secondaire AS. Une extrémité de cette enveloppe est supposée agencée de manière connue en soi pour recevoir une conduite d'amenée 2 qui injecte de l'air chargé de combustible pulvérisé avec une vitesse d'injection déterminée, la combustion de ce combustible pulverisé étant prévue à l'autre extrémité de l'enveloppe 1 Des moyens ajustables de mise en rotation de l'air chargé sont supposés associés au brûleur. Ces moyens ajustables sont par exemple réalisés sous la forme d'aubes 4 qui sont ici supposées périphériquement portées par l'ogive 3 et qui permettent de réaliser une couche centrifugée à haute densité de combustible pulvérisé à l'intérieur de laquelle se loge une couche diluée, I'une et l'autre étant ici supposées centrées sur l'axe de révolution commun à l'enveloppe 1 et à l'ogive 3. Les aubes sont prévues réglables en inclinaison, de manière à permettre de répartir le débit de combustible pulvérisé entre la phase à haute densité de combustible pulvérisé qui est dite riche et la phase diluée, dite pauvre. La description des aubes et de leur mécanisme d'orientation n'est pas détaillée ici, dans la mesure où de tels éléments matériels sont bien connus de l'homme de métier et ne concernent qu'indirectement la présente invention. Des moyens de répartition d'air permettent de faire varier les débits respectifs d'air entre phase riche et phase pauvre, ici par variation de la perte de charge entre écoulements d'air dans l'enveloppe 1. Ils sont par exemple au moins partiellement réalisés sous la forme d'un diaphragme perforé 5 qui permet de canaliser, de manière prédéterminée et ici dans un conduit annulaire 8, I'air chargé constituant la couche à haute densité de combustible pulvérisé de la phase riche. Une jupe 6 d'obturation vient ici compléter les moyens de répartition d'air évoqués ci-dessus. Cette jupe est ici supposée montée dans une partie tubulaire axiale 7 débouchante, bordée par le conduit annulaire 8 dans l'axe de l'enveloppe 1, à l'extrémité de ce conduit qui est proche d'une des extrémités de l'ogive 3. Elle coopère avec cette ogive dans la production de la phase pauvre qui se forme à partir de l'air moins chargé en combustible pulvérisé obtenu autour de l'ogive dans l'enveloppe 1, sous l'effet des aubes. A cet effet, l'ogive et la jupe sont agencées, de manière connue de l'homme de métier, pour qu'au moins l'une d'entre elles puisse coulisser axialement par rapport à l'autre en augmentant ou alternativement réduisant la taille de l'entrée annulaire d'air faiblement chargé qu'elles délimitent entre elles. L'air faiblement chargé en combustible pulvérisé rejoint alors l'air fortement chargé au niveau de l'extrémité de l'enveloppe 1 en sortie de laquelle la combustion est réalisée. La combustion du combustible pulvérisé contenu dans l'air faiblement chargé de la phase pauvre est confinée à l'intérieur de la zone de combustion du combustible pulvérisé contenu dans l'air fortement chargé de la phase riche qui l'entoure à l'intérieur de la flamme, les deux phases étant concentriques, comme symbolisé sur la figure 1 où les limites physiques de ces phases sont symbolisées par des traits fins. Les oxydes d'azote NOx nocifs créés par la combustion de la phase pauvre sont alors amenés à traverser les couches réductrices de la phase riche qui les entourent et qui les transforment. Une action équivalente est susceptible d'être obtenue avec un dispositif, dit tangentiel, tel que représenté en figure 2 qui se différencie du précédent dans la mesure où l'obtention de phases concentriques, l'une pauvre et interne, l'autre riche et externe, est réalisée par une mise en mouvement appropriée de l'air chargé de charbon pulvérisé. A cet effet, cet air est simultanément entraîné en rotation et en translation selon son axe de déplacement dans un mouvement d'allure cyclonique en particulier dans l'enveloppe 1' où il est conduit et à partir de laquelle il débouche à l'air libre. L'air chargé de combustible solide pulvérisé est initialement centrifugé, par exemple par des moyens de type cyclone, ici symbolisés sous la référence 9', de manière à former un courant qui est envoyé dans l'enveloppe 1' d'allure cylindrique, via un conduit 2' qui est aussi susceptible d'être coudé , comme représenté. Du fait de sa rotation, l'air est moins chargé en charbon pulvérisé au centre du courant et deux phases concentriquement disposées, l'une pauvre, l'autre riche, sont constituées par l'intermédiaire de moyens de répartition d'air analogues à ceux prévus dans la réalisation illustrée par la figure 1. Ces moyens comportent ici une ogive 3', un diaphragme perforé 5', une jupe 6' et un conduit annulaire interne 7' correspondant fonctionnellement à l'ogive 3, au diaphragme 5, à la jupe 6 et au conduit 7. Par contre, il est prévu dans cette forme de réalisation de laisser totalement libre le conduit annulaire prévu entre l'ogive 3' et la paroi de l'enveloppe 1' dans l'axe de laquelle cette ogive est située, la présence d'aubes à ce niveau n'étant plus nécessaire. Selon une seconde variante de l'invention notamment illustrée sur la figure 3, il est prevu d'utiliser une phase centrale composée à l'aide d'air et de particules de combustible solide pulvérisé comme indiqué plus haut avec par exemple un rapport de répartition massique du combustible solide pulvérisé par rapport à l'air primaire qui soit de 1 à 2,5 et une vitesse d'injection de 15 à 40 m/s. Une seconde phase, périphérique, est obtenue à partir de fumées recyclées et de combustible solide micronisé, les particules de combustible ayant par exemple un diamètre de 15 à 25 microns environ. Dans l'exemple schématisé sur la figure 3, un brûleur comporte une enveloppe 1A dans laquelle sont réalisés deux conduits 7A et 8A débouchants qui sont concentriquement disposés l'un à l'intérieur de l'autre. L'enveloppe 1A du brûleur est supposée entourée d'injecteurs d'air secondaire, à nouveau symbolisés par les flèches AS positionnées de part et d'autre de l'enveloppe. Le conduit intérieur 7A qui est d'allure cylindrique est parcouru par le courant d'air chargé destiné à la phase centrale. Ce courant est obtenu à partir de l'air chargé de combustible solide pulvérisé que le conduit 7A reçoit d'un broyeur ou plus précisément d'une cellule de broyage 10A1 d'un broyeur 10A, ici supposé comportant deux cellules distinctes 10A1 et 10B1. La cellule de broyage 10A1 reçoit d'une part le combustible solide CS à pulvériser et d'autre part l'air primaire AP au moyen duquel les particules de combustible solide pulvérisé sont entraînées vers les brûleurs du dispositif. Un séparateur I IA est classiquement inséré entre la cellule de broyage 10A1 et les entrées de conduits intérieurs d'enveloppes de brûleur, telle celle du conduit 7A de l'enveloppe de brûleur 1A. Il assure un calibrage des particules transmises aux brûleurs. Le conduit extérieur 8A, qui est par exemple d'allure annulaire, est parcouru par le courant chargé de particules de combustible solide micronisé, constitué à partir de fumées recyclées, éventuellement combinées à de l'air primaire si besoin est. Ceci permet de constituer une phase riche venant entourer la phase normale obtenue en sortie du conduit intérieur 7A dans la flamme de combustion produite. La seconde cellule de broyage 10A2 reçoit, d'une part, du combustible solide CS à pulvériser, sous forme micronisée, et d'autre part, les fumées de combustion recyclées FC par un agencement non représenté à partir desquels est constitué le courant fluide FCC au moyen duquel les particules de combustible micronisées sont mises en mouvement vers les brûleurs du dispositif Un séparateur 12A est inséré entre la cellule de broyage 10A2 et les entrées des conduits extérieurs d'enveloppes de brûleurs, ici symbolisées par l'entrée du conduit extérieur 8A de l'enveloppe de brûleur lA, pour le calibrage des particules micronisées transmises aux brûleurs. Il n'est pas nécessaire de prévoir d'enrichisseur dans chaque brûleur dans la mesure ou c'est au niveau du broyeur que le mélange air-combustible est alors realisé pour la phase centrale. Il est par ailleurs envisageable de remplacer le broyeur à double cellules 10A par deux broyeurs distincts. Dans une forme préférée de réalisation de la seconde variante de réalisation selon l'invention comportant un brûleur tel que schématisé sur la figure 4, il est prévu d'insérer une injection d'air additionnel de manière à créer une phase intermédiaire P1 entre phase centrale riche PR et phase pauvre PP pour permettre d'ajuster localement la température et la pression partielle d'oxygène. Cette phase intermédiaire a par exemple un niveau de dilution du charbon pulvérisé qui est situé entre celui de la phase pauvre et celui de la phase riche entre lesquelles elle vient s'intercaler dans la flamme résultant de la combustion du combustible pulvérisé à la sortie d'un brûleur. Dans cette forme de réalisation, un brûleur d'un dispositif de combustion ainsi organisé comporte une enveloppe lB, d'allure au moins approximativement cylindrique, dans laquelle sont réalisés trois conduits débouchants 7B, 8B, 13B qui sont concentriquement disposés et qui débouchent au moins approximativement au même niveau en sortie de l'enveloppe qui les contient. Dans la réalisation présentée sur la figure 4, une ogive 3B et une jupe 6B coopèrent comme dans la réalisation présentée sur la figure I pour réguler le courant d'air chargé en particules de combustible pulvérisé de la phase centrale plus pauvre. Le conduit intermédiaire 13B est un conduit annulaire à entrée évasée, moins long que le conduit 7B qui le traverse longitudinalement. Le conduit externe 8B est ici supposé ménagé entre une paroi externe du conduit intermédiaire 13B et une paroi tubulaire qui lui fait face dans l'enveloppe 1B. Dans une forme particulière de réalisation schématisée sur les figures 5 et 6, un dispositif selon l'invention comporte une pluralité de conduits spécifiques de phase riche 8C qui sont disposés autour du conduit central 7C prévu pour le courant d'air chargé de particules de combustible pulvérisé d'une phase pauvre. Ces conduits 8C sont ici supposés alternés autour dudit conduit central avec des conduits 14C qui assurent l'injection de l'air secondaire AS, comme on le voit sur la figure 6. Ceci permet de créer des fluides homogènes en répartition selon une section, et de s'affranchir du risque de concentration du charbon dans la zone d'injection de phase riche qui existe en raison de la ségrégation se produisant en amont. Il est autrement à craindre que se constitue une langue de solides due à la friction des particules de combustible pulvérisé sur les parois. Les dispositifs selon l'invention, sont susceptibles d'être réalisés sans avoir à augmenter la hauteur des foyers où ils sont logés. Ils peuvent aussi être agencés pour permettre de réaliser une orientation des brûleurs dans le but de déplacer le centre de gravité de la flamme obtenue et de pouvoir réaliser des modifications de la répartition des échanges au niveau d'un foyer de chaudière en fonction de la charge. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour la combustion de combustible solide pulvérisé transporté par un courant d'air qui est exploité de manière à engendrer au moins deux phases ayant des richesses en combustible pulvérisé qui sont différentes et qui prévoit une étape au cours de laquelle une phase riche en combustible pulvérisé et une phase pauvre sont créées au niveau de chacun des brûleurs d'un dispositif de combustion dans une chaudière, caractérisé en ce qu'il prévoit un confinement de la phase pauvre par la phase riche qui vient l'entourer dans la flamme de combustion que ces phases engendrent et qui créée une recombustion. 2/ Procédé selon la revendication 1, dans lequel la phase périphérique riche est obtenue à partir de fumées recyclées et de combustible solide micronisé. 3/ Procédé selon l'une des revendications 1, 2, dans lequel le courant d'air transportant le combustible pulvérisé est entraîné en rotation et en translation selon son axe de déplacement dans un mouvement d'allure cyclonique. 4/ Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, dans lequel chaque brûleur comporte une enveloppe (1) au moins approximativement cylindrique à laquelle sont associés des moyens (3 à 6) agissant sur le courant d'air primaire (ACP), chargé de combustible pulvérisé destiné à être brûlé par ce brûleur, pour générer une phase centrale où le combustible pulvérisé est dilué et au moins une phase périphérique riche (PR) où le combustible pulvérisé est concentré de manière que la phase riche entoure la phase pauvre (PP) au niveau de la flamme obtenue avec l'aide d'air secondaire (AS) par des injecteurs périphériquement disposés par rapport au brûleur. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des brûleurs, de type axial, ayant chacun des moyens (4), agissant sur l'air primaire chargé de combustible pulvérisé, qui sont du type aubes ajustables et qui assurent la mise en rotation de l'air primaire chargé au niveau d'une ogive (3) située dans l'enveloppe du brûleur considéré, en amont d'un conduit central (7) pour le courant d'air chargé de phase centrale et d'au moins un conduit annulaire concentrique (8) pour le courant d'air de phase périphérique qui conduisent à l'extrémité de l'enveloppe du brûleur ou se produit la flamme de combustion. 6/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des brûleurs, de type tangentiel, associés à des moyens, de type cyclonique ou à canalisation coudée, agissant sur l'air primaire chargé de combustible pulvérisé en amont d'une ogive (3') située dans l'enveloppe (1') du brûleur considéré, en amont d'un conduit central (7') pour le courant d'air chargé de phase centrale et d'au moins un conduit annulaire concentrique (8') pour le courant d'air de phase périphérique qui conduisent à l'extrémité de l'enveloppe du brûleur où se produit la flamme de combustion. 7/ Dispositif selon l'une des revendication 4, 5 dans lequel les moyens agissant sur l'air primaire chargé de combustible assurent une rotation et une translation de cet air primaire chargé dans l'enveloppe de brûleur où il est conduit. 8/ Dispositif, selon l'une des revendications 5, 6, 7, dans lequel le conduit central (7B) est concentrique avec deux conduits annulaires (8B, 13B) permettant l'obtention d'une phase pauvre centrale (PP) et d'une phase riche périphérique (PR) séparées par une phase (PI) ayant une dilution intermédiaire pour ajuster localement la température et la pression d'oxygène. 9/ Dispositif selon la revendication 4, dans lequel dans lequel les brûleurs comportent chacun une enveloppe dotée d'un conduit central (7C) pour le courant d'air chargé de phase centrale pauvre et d'une pluralité de conduits (8C) de phase riche répartis autour du conduit central en aval d'une ogive (3C) agissant sur l'air primaire chargé de combustible pulvérisé, ces conduits conduisant vers l'extrémité de l'enveloppe du brûleur où se produit la flamme de combustion.