Brevet FR2775061A1 — publié le 19990820

L'invention se rapporte à une chaudière à lit fluidisé circulant, avec un conduit qui s'étend suivant une direction longitudinale et qui canalise un flux de particules et de gaz contenant des oxydes d'azote, et un moyen pour injecter dans le flux un réactif permettant de réduire les oxydes d'azote. Dans une chaudière de ce type, avec un conduit reliant un foyer de combustion à un cyclone de séparation, les particules sont séparées dans le cyclone de séparation et sont recyclées dans le foyer de combustion. Les gaz sont évacués par une cheminée après avoir traversé des échangeurs de chaleur conventionnels situés en aval du cyclone de séparation. La réduction des oxydes d'azote en azote moléculaire inerte est une mesure corrective qui permet de diminuer le rejet des oxydes d'azote avec les gaz évacués par la cheminée. D'une manière générale, on injecte dans le flux de particules et de gaz de l'ammoniac pour réduire les oxydes d'azote selon un schéma réactionnel connu sous le nom de réduction sélective non catalytique. Il est admis aujourd'hui que trois principaux paramètres, la température, le temps de séjour, et le mélange de l'ammoniac réactif avec les oxydes d'azote, influencent la réaction de réduction dans l'installation. La demande de brevet européenne EP 0 690 266, publiée le 3 janvier 1996, décrit une chaudière dans laquelle l'injection de l'ammoniac est réalisée par une ouverture formée dans la paroi de la partie supérieure du conduit, cette ouverture étant disposée à une distance plus courte du foyer de combustion que du cyclone de séparation. Ce mode d'injection est relativement simple à réaliser. Cependant, I'injection à même la paroi du conduit ne permet pas un mélange complet de l'ammoniac réactif et des oxydes d'azote. En effet, I'écoulement des particules et des gaz, bien que turbulent, est dominé par une composante de vitesse parallèle à la direction longitudinale du conduit qui cantonne la pénétration de l'ammoniac réactif à une couche en contact avec la paroi du conduit. Le but de l'invention est d'améliorer le mélange du réactif avec les oxydes d'azote contenus dans les gaz pour favoriser leur réduction. A cet effet, I'invention a pour objet une chaudière à lit fluidisé circulant, avec un conduit qui s'étend suivant une direction longitudinale et qui canalise un flux de particules et de gaz contenant des oxydes d'azote, et un moyen pour injecter dans le flux un réactif permettant de réduire les oxydes d'azote, caractérisée en ce que ce moyen comprend au moins une canne tubulaire disposée de façon telle à injecter le réactif suivant la direction longitudinale du conduit et de façon co-courante au flux. Avec cet agencement, le réactif est injecté à coeur dans le flux ce qui permet d'augmenter le rendement de réduction. D'une façon avantageuse, la canne tubulaire est disposée dans la partie supérieure du foyer de combustion et en face du conduit qui relie ledit foyer au cyclone de séparation, ou encore dans le conduit formé par la partie supérieure d'un échangeur extérieur à lit fluidisé dense qui collecte partiellement les solides recueillis par le cyclone avant leur réintroduction dans le foyer. Dans les deux cas, on injecte le réactif dans une région du flux peu dense en particules, ce qui permet de renforcer le mélange avec les oxydes d'azote. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de deux modes de réalisation illustrés par les dessins. La figure 1 montre très schématiquement en vue de face une chaudière à lit fluidisé circulant. La figure 2 montre très schématiquement une chaudière selon la figure 1, avec au moins une canne d'injection disposée dans la partie supérieure d'un foyer de combustion ou d'un premier conduit de communication entre le foyer de combustion et un cyclone de séparation. La figure 3 montre très schématiquement une chaudière selon la figure 1, avec au moins une canne d'injection disposée dans un deuxième conduit formé par la partie supérieure d'un échangeur extérieur à lit fluidisé dense. La figure 4 est une vue en coupe d'une canne d'injection. Une chaudière à lit fluidisé circulant, représentée de façon schématique sur la figure 1, comprend un foyer de combustion 1 qui s'étend verticalement et dont une partie inférieure est alimentée par un combustible 3, par exemple du charbon concassé, et par un flux d'air 7 dirigé vers le haut du foyer. La combustion s'effectue au sein d'une importante masse de fines particules de cendres 5 fortement agitées et maintenues en suspension par le flux d'air 7 pour former un lit fluidisé ayant une densité en particules qui diminue rapidement en fonction de la hauteur du foyer. La combustion a lieu à une température typique de 850 degrés celsius ( C) et génère des d'oxydes d'azote NOx. Le flux d'air chargé des fines particules et des oxydes d'azote est canalisé dans la partie haute du foyer par un premier conduit 9 qui s'étend suivant une direction longitudinale L1 sensiblement horizontale et qui débouche dans la partie haute 11A d'un cyclone de séparation 11 disposé verticalement. Par un écoulement circulaire du flux d'air dans le cyclone, les fines particules de cendre sont séparées des fumées et sont recyclées vers le foyer de combustion 1 par l'intermédiaire d'un siphon fluidisé 13. Les fumées 14 sortent du cyclone de séparation 11 et traversent des échangeurs de chaleur conventionnels avant d'être évacuées par une cheminée. Pour faciliter le contrôle de la température du foyer, on dispose en parallèle avec le siphon fluidisé 13, un échangeur extérieur à lit fluidisé dense 15, qui est alimenté en air 16 et en particules prélevées dans la partie inférieure 11 B du cyclone de séparation 11. Un deuxième conduit 17 formant une partie supérieure de l'échangeur extérieur 15 s'étend parallèlement à une direction longitudinale L2 sensiblement horizontale et canalise le flux des particules et de gaz provenant du cyclone de séparation 11 vers le foyer de combustion 1 par l'intermédiaire d'un système fluidisé 19 pour recycler les particules. Selon l'invention, pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz et les fumées, on injecte un réactif, par exemple de I'ammoniac à l'état gazeux, au moyen au moins d'une canne tubulaire disposée de façon telle à libérer le réactif suivant la direction longitudinale du conduit et de façon co-courante au flux de gaz chargé des particules. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, figure 2, chaque canne tubulaire 21 est disposée dans une partie supérieure lA du foyer de combustion 1 o le flux de particules et de gaz est canalisé par le premier conduit 9 pour être transporté vers le cyclone de séparation 11. De préférence, dans ce premier mode de réalisation, on monte chaque canne tubulaire dans un renfoncement 1 C de la partie supérieure 1A du foyer de combustion 1 qui s'étend au dessus de la partie supérieure 9A du premier conduit 9. Ce renfoncement 1C crée une couche d'impact 1 B des particules transportées par le flux circulant et diminue la densité en particules dans la zone d'injection du réactif. Il est prévu également, dans une variante de ce premier mode de réalisation de l'invention, visible sur la figure 2, de disposer chaque canne tubulaire 21 dans une partie supérieure 9A du premier conduit 9 qui canalise le flux sortant du foyer 1 vers l'entrée du cyclone de séparation 11. De préférence, dans cette variante, chaque canne tubulaire 21 est disposée à proximité du foyer de combustion 1 pour allonger le temps de séjour jusqu'à l'entrée du flux d'air dans le cyclone de séparation 11 et ainsi renforcer le mélange du réactif injecté avec les oxydes d'azote contenus dans le flux. D'une manière avantageuse, on dispose plusieurs cannes tubulaires 21 en plusieurs points d'une direction de largeur du foyer de combustion 1 ou du conduit 9 qui est perpendiculaire à la direction longitudinale L1 pour renforcer le mélange avec les oxydes d'azote. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, figure 3, chaque canne tubulaire 21 est disposée dans un deuxième conduit 17 formé par une partie supérieure 17A de l'échangeur extérieur 15, o le carbone est élutrié en partie dans les particules provenant du cyclone de séparation 11. La combustion du carbone élutrié s'effectue dans un fort excès d'air au dessus du lit fluidisé dense et produit des oxydes d'azote qui sont réduits par l'injection du réactif. De préférence, dans ce deuxième mode de réalisation, chaque canne tubulaire 21 est disposée par rapport au courant du flux en aval de la zone d'entrée 17B dans le deuxième conduit 17 des particules provenant du cyclone de séparation 11 pour allonger le temps de séjour du réactif, compte tenu du fait que dans cette zone d'entrée 17B, I'élutriation du carbone est importante. Chaque canne tubulaire 21 comprend, figure 4, au moins une buse d'injection 23. Dans chacun des deux modes de réalisation décrits précédemment, on descend chaque canne tubulaire 21 dans le foyer de combustion, ou dans le premier 9 ou le deuxième conduit 17, sensiblement perpendiculairement à la direction longitudinale L1 ou L2 et en orientant la buse d'injection 23 dans le sens d'écoulement du flux des particules et des gaz pour injecter le réactif suivant la direction longitudinale du conduit et de façon co-courante au flux. La fixation de chaque canne d'injection 21 dans la partie supérieure du foyer 1 ou du premier 9 ou du deuxième conduit 17 est réalisée au moyen d'une bride 25 qui de préférence permet un déplacement en translation de chaque canne perpendiculairement à la direction longitudinale du conduit pour régler la descente dans le foyer ou dans le conduit en fonction d'une moindre densité en particules dans le flux et ainsi renforcer le mélange du réactif avec les oxydes d'azote. Il est prévu également de traiter chaque canne tubulaire en surface pour améliorer ses propriétés de tenue à la corrosion. Compte tenu de la température du flux et de la nature abrasive des particules et des gaz, on traite chaque canne en déposant par exemple par plasma, un revêtement de carbure de tungstène ou de carbure de chrome. Pour améliorer la tenue mécanique des cannes, on prévoit également de les refroidir par une circulation d'eau 27. Le réactif est injecté par un canal 29 qui débouche par la buse d'injection 23. Comme réactif, on utilise de l'ammoniac gazeux, ou des gouttelettes d'ammoniaque en solution, ou un précurseur liquide de l'ammoniac comme l'urée en solution, pulsé par de l'air. REVENDICATIONS 1. Une chaudière à lit fluidisé circulant, avec un conduit (9,17) qui s'étend suivant une direction longitudinale (L1,L12) et qui canalise un flux de particules et de gaz contenant des oxydes d'azote (NOx), et un moyen pour injecter dans le flux un réactif permettant de réduire les oxydes d'azote, caractérisée en ce que ce moyen comprend au moins une canne tubulaire (21) disposée de façon telle à injecter le réactif suivant la direction longitudinale (L1,L2) du conduit (9,17) et de façon co-courante au flux. 2. Une chaudière selon la revendication 1, avec un foyer de combustion (1) et un cyclone de séparation (11) reliés entre eux par ledit conduit (9) et dans laquelle chaque canne tubulaire (21) est disposée dans la partie supérieure (1A) du foyer de combustion (1). 3. Une chaudière selon la revendication 2, dans laquelle chaque canne tubulaire est disposée dans un renfoncement (1 C) de la partie supérieure du foyer de combustion. 4. Une chaudière selon la revendication 1, avec un foyer de combustion (1) et un cyclone de séparation (11) reliés entre eux par ledit conduit (9) et dans laquelle chaque canne tubulaire (21) est disposée dans la partie supérieure (9A) du conduit (9). 5. Une chaudière selon la revendication 1, avec un échangeur extérieur à lit fluidisé dense (15) et dans laquelle chaque canne tubulaire (21) est disposée dans la partie supérieure (17A) de l'échangeur extérieur (15). 6. Une chaudière selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle chaque canne tubulaire (21) comprend au moins une buse d'injection (23) du réactif. 7. Une chaudière selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle chaque canne tubulaire (21) est mobile suivant une direction sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale (L1,L2) du conduit (9,17). 8. Une chaudière selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle chaque canne tubulaire (21) comprend un circuit de refroidissement (27) par circulation d'eau. 9. Une chaudière selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle chaque canne tubulaire (21) comprend un revêtement par plasma de carbure de tungstène ou de carbure de chrome pour résister à l'abrasion du flux. 10. Une chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réactif est de l'ammoniac gazeux, ou des gouttelettes d'ammoniaque en solution, ou un précurseur liquide de l'ammoniac comme l'urée en solution, pulsé par de l'air.