Brevet FR2802287A1 — publié le 20010615

L'invention concerne un procédé pour l'amélioration de la combustion dans un système de combustion à lit fluidisé circulant, elle concerne aussi les systèmes mettant en oeuvre ce procédé. Comme il est connu, ce genre de système brûle des combustibles solides concasses, des combustibles liquides ou des combustibles gazeux, notamment dans les centrales thermiques de production d'électricité. 11 a pour inconvénient de produire des oxydes d'azote Nox et l'on cherche donc à limiter les émissions de ces oxydes, notamment en favorisant la libération des espèces azotées du combustible dans un millieu faiblement oxydant, voire mème réducteur. Une telle limitation est classiquement obtenue par réalisation de foyers ou il est prévu un agencement permettant un étagement de l'air à des niveaux différents sur la hauteur du foyer. Une solution connue prévoit d'injecter de l'air dit primaire, dans une zone située au bas de foyer, avec un débit détermine de manière à obtenir un coefficient d'excès d'air tel qu'une atmosphère réductrice y soit créée. Une injection d'air, dit secondaire est réalisée sur un ou plusieurs etages au dessus de cette zone basse de foyer, pour créer une zone oxydante s'étendant sur le reste de la hauteur du tfoyer. Toutefois les solutions connues ne sont pas suffisamment performantes et l'invention vise donc à permettre d'obtenir une diminution des émissions d'oxyde d'azote NOx nocives dans un système de combustion à lit circulant fluidisé associant de manière connue en soi un foyer et un cyclone, sans diminution du rendement de combustion du système. L'invention propose donc un procédé pour améliorer la combustion dans un système, de type à lit fluidisé circulant, qui comporte un foyer associé à au moins un cyclone, notamment pour la fourniture d'énergie à un échangeur thermique dans le cadre d'une installation produisant de l'électricité. Le système est supposé fonctionner à partir de combustible introduit au bas du foyer ou est créée une atmosphère réductrice et o le combustible subit une pyrolyse avec séparation en deux phases l'une, solide et composée de particules de coke contenant une fraction azote- coke provenant du combustible d'origine et l'autre, gazeuse, contenant les matières volatiles et notamment le reliquat de l'azote contenu dans le combustible d'origine. Les particules et les matières volatiles s'élèvent dans le foyer o la combustion se poursuit en laissant subsister des particules incomplètement brûlées qui sont aspirées et renvoyées au bas du foyer par action cyclonique. Il est ainsi offert une nouvelle chance aux particules solides contenant encore du carbone imbrûlé de parfaire leur combustion. Une injection d'air, dit tardif, est prévue, en plus de l'injection d'air primaire réalisée au bas du foyer et d'au moins une injection d'air secondaire réalisée pour créer une atmosphère faiblement oxydante dans le foyer au-dessus de la zone basse de celui-ci ou est créée une atmosphère réductrice. Selon une forme préférée de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, I'air tardif injecté en amont de l'entrée du cyclone est dirigé de manière à modifier les trajectoires des particules solides aspirées par action cyclonique pour améliorer le rendement de captation cyclonique et en conséquence le rendement de combustion. Selon une forme de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, I'injection d'air tardif neuf et chaud, est exploitée pour améliorer la combustion des imbrflés gazeux contenus dans les tfumées sortant du foyer, par l'action complémentaire de brassage qu'elle entraîne. Selon une forme de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le débit d'air tardif injecté en amont de l'entrée du cyclone est choisi de l'ordre de 5 à 30%' du débit total d'air fourni pour la combustion au système. Selon une forme de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les injections d'air primaire, secondaire et tardif sont telles qu'elles conduisent à des coefficients d'excès d'air x qui sont respectivement de l'ordre de 0,5 au bas du foyer dans la zone ou l'atmosphère est réductrice, de 0,95 à 1, 15 dans une partie supérieure du foyer, située au-dessus de la précédente, o l'atmosphère est faiblement oxydante et de 1, 15 à 1,3 au-delà, o l'injection d'air tardif produit son effet. Une réduction significative des émissions d'oxydes d'azote NOx est ainsi permise. L'invention propose aussi un système de combustion, de type à lit fluidisé circulant, permettant la mise en oeuvre du procédé évoqué ci-dessus. Ce système comporte un foyer associé à au moins un cyclone, notamment pour la fourniture d'énergie à un échangeur thermique dans le cadre d'une installation produisant de l'électricité, il fonctionne à partir de combustible introduit au bas du foyer o est créée une atmosphère réductrice et o ce combustible subit une pyrolyse avec séparation en deux phases l'une, solide et composée de particules de coke contenant une fraction azote-coke provenant du combustible d'origine et l'autre, gazeuse, contenant les matières volatiles et notamment le reliquat de l'azote contenu dans le combustible d'origine, les particules et les matières volatiles s'élevant dans le foyer o la combustion se poursuit en laissant subsister des particules incomplètement brûlées qui sont aspirées et renvoyées au bas du foyer par le cyclone. Selon une caractéristique de l'invention, le système de combustion comporte un agencement d'injection d'air comportant des moyens pour injecter de l'air, dit tarditf neuf et chauffé, positionnés entre le haut du foyer et l'entrée du cyclone et agences pour agir sur la trajectoire des particules aspirées de manière à augmenter le rendement de captation cyclonique, en plus des moyens permettant une injection d'air primaire au bas du foyer pour y créer une atmosphère réductrice et de moyens permettant une injection d'air secondaire pour créer une atmosphère faiblement oxydante dans une zone du foyer située au-dessus de la zone basse de celui-ci o est créée une atmosphère réductrice. Selon l'invention, les moyens d'injection d'air tardif comportent des injecteurs débouchant dans une gaine, par l'intermédiaire de laquelle le haut du foyer est relié à l'entrée du cyclone, au travers d'orifices localisés sur la paroi d'intrados de g(aine, ainsi qu'éventuellement des injecteurs débouchant au travers d'orifices ménagés dans la gaine au travers de son toit. Selon l'invention, le système de combustion comporte des injecteurs d'air tardif alimentés en air chaud depuis un réchauffeur d'air du système, via un circuit qui fournit l'air secondaire de ce système Selon une variante de réalisation de ['invention, le système de combustion comporte des injecteurs d'additif, qui sont positionnes dans des orifices d'injecteurs d'air tardif de manière à pénétrer dans la gaine par leur intermédiaire et pour favoriser la pénétration de l'additif à l'intérieur de [a masse de fumées ou cet additif est injecté.. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages sont précisés dans la description qui suit en liaison avec les figures évoquées ci-dessous. La figure I présente un schéma synoptique d'un système de combustion, du type à lit fluidisé circulant, qui permet de fournir de l'énergie sous forme thermique à un échangeur de chaleur. La figure 2 présente un diagramme montrant l'évolution du coefficient d'excès d'air pour un système classique de combustion à lit fluidisé circulant, qui est schématisé sur la figure 3. La figure 4 présente un diagramme montrant l'évolution du coefficient d'excès d'air pour un système de combustion, à lit fluidisé circulant, selon l'invention, tel que schématisé sur la figure 5. Les figures 6 et 7 présentent une vue latérale et une vue selon une direction F d'un montage d'injection d'air tardif, pour système de combustion, selon l'invention. Un exemple connu de système de combustion 1, du type à lit fluidisé circulant, est schématisé sur la figure 1, ce système est supposé destiné à brûler du combustible, d'origine fossile, tel que du charbon ou du lignite. Il est par exemple associé à un échangeur de chaleur 2, pour fournir de l'énergie sous forme thermique, par exemple dans le cadre d'une installation produisant industriellement de l'électricité. Un foyer 3 et un cyclone 4 constituent les éléments essentiels du système de combustion, ils sont associés entre eux et à l'échangeur de chaleur, de manière connue, et ils sont ici supposés tfournir de l'énergie thermique à un échangeur de chaleur 2. Les fumées chargées de particules de cendres contenant du carbone imbrlé sont centrifugées au niveau du cyclone 4. Les particules, ainsi récupérées, sont réinjectées dans la partie basse du foyer 3 par l'intermédiaire d'un conduit 5 a siphon 6 De l'air primaire est injecté par le dessous dans la partie la plus basse du foyer 3, comme symbolisé par la flèche AP Il règne une atmosphère réductrice dans cette partie basse de foyer o le coefficient X d'excès d'air est nettement inférieur à 1, comme on le voit sur la figure 2 montrant la variation de ce coefficient X sur la hauteur du système de combustion schématisé sur la figure 3. Dans cette zone, le combustible subit une pyrolyse et la matière combustible est séparée en deux phases. L'une des deux phases est ainsi constituée de grains de coke et d'une fraction de l'azote du combustible d'origine, couramment désignée par l'expression azote-coke. L'autre phase regroupe les matières volatiles et notamment le reliquat de l'azote du combustible d'origine. Comme il est connu, la fraction d'azote volatil est d'autant plus importante que le combustible a une teneur en matières volatiles plus élevée. Ainsi dans le cas de combustibles constitués de charbons très réactifs, tels que du lignite, du sub-bitumineux ou du bitumineux, la part de l'azote volatil est significativement plus élevée que la part d'azote-coke. Les grains de coke peuvent séjourner dans la zone réductrice située en partie basse de foyer et de l'azote moléculaire N2 est alors retrouvé parmi les produits de combustion de l'azote-coke. Le temps de séjour des grains de coke dans la zone réductrice est en fait essentiellement fonction de la grosseur de chaque grain. Les plus petits grains quittent rapidement la zone sous la forme de particules constituées de cendres contenant du carbone imbrflé et d'un reliquat d'azote-coke dont la combustion se poursuit dans la partie supérieure du foyer 3. Ces particules seront brûlées encore plus complètement, après avoir été aspirées par le cyclone 4, via une gaine 7 débouchant en haut de foyer, lorsqu'elles sont réinjectées par l'intermédiaire de ce cyclone en partie basse de foyer, via le conduit 5. Il est donc important que le rendement de captation du cyclone soit le plus élevé possible, pour qu'un recyclage optimal soit obtenu. Les matières volatiles et notamment l'azote volatil, sortent très rapidement de la zone réductrice pour atteindre des zones situées audessus de cette zone réductrice dans lesquelles de l'air est progressivement introduit, comme schématisé par les entrées d'air secondaire étagé AS I et AS2, sur les figures 1, 3 et 5. L'injection étagée d'air secondaire est poursuivie jusqu'à obtention de conditions nettement oxydantes conduisant à un coefficient X d'excès d'air qui est typiquement compris entre 1,15 et 1,30 et par exemple 1,2 comme illustré sur le diagramme de la figure 2. Cette combustion en atmosphère nettement oxydante conduit plus particulièrement à la production d'oxydes d'azote dont la source principale est l'azote volatil, en particulier dans le cas de combustibles réactifs, et dont une source secondaire est le reliquat d'azote-coke contenu dans les grains de coke partiellement imbrflés. Une technique usuelle d'abattement primaire des émissions d'oxydes d'azote est de sélectionner un faible excès d'air global dans la partie du foyer 3, classiquement désignée en anglais par "free board", dans laquelle les particules solides sont en circulation. Toutefois cette technique a des limites, car elle présente l'inconvénient d'avoir des conséquences néfastes sur le fonctionnement du lit fluidisé circulant du foyer 3, en particulier en ce qui concerne les échanges de chaleur avec les parois tubées et le rendement de combustion. A titre d'exemple, il a été observé qu'une diminution de l'excès d'air global conduisant d'un coefficient Al compris dans un intervalle 1,25 à 1,30 à un coefficient X2 compris dans un intervalle 1,15 à 1,20 pouvait conduire à une diminution avantageuse des émissions d'oxyde d'azote NOx d'environ 20%, cette diminution s'accompagnant toutefois d'une diminution désavantageuse du rendement de combustion de 0,5 à I point. Comme indiqué plus haut, l'invention permet d'obtenir un réglage de la stoechiométrie globale d'un système de combustion, du genre évoqué cidessus, qui assure une diminution des émissions d'oxydes d'azote Nox, comme explicité plus loin. A cet effet et comme schématisé sur la figure 5, une entrée AT d'injection d'air, dit tardif, est ménagée dans la gaine 7 en amont de l'entrée du cyclone 4. Cette injection spécifique entraîne un étagement de l'air dans le foyer 3 qui est plus prononcée qu'avec le procédé antérieurement connu. Elle favorise l'existence d'une zone du foyer 3 dans laquelle les particules ont un relativement long temps de séjour en atmosphère faiblement oxydante. Le diagramme de la figure 4 montre un exemple de variation du coefficient d'excès d'air X sur la hauteur d'un système de combustion, tel que schématisé sur la figure 5, o est prévue une entrée AT d'injection d'air tardif, selon l'invention. Comme illustré en partie haute de diagramme, une variation du coefficient x est obtenue. Dans l'exemple proposé ce coefficient a une valeur 1,2 dans la zone o l'injection d'air tardif produit son effet et comme cela était le cas sur pratiquement toute la partie haute du tfoyer dans le cas d'un système de combustion classique, tel que schématisé sur la figure 3. Dans le cas d'un système de combustion comportant une entrée d'air tardif AT, selon l'invention, le coefficient X reste par contre de l'ordre de 0, 95 à 1,15 sur pratiquement toute la partie haute du foyer correspondant à celle dont le coefficient X est égal à 1,2 sur le diagramme de la figure 2, a l'exception de la zone ou les effets de l'injection d'air tardif se tfont sentir dans le cas illustré par les figures 4 et 5. La réalisation de l'entrée d'injection d'air tardif est schématiquement représentée sur les figures 6 et 7 qui montrent une gaine 7 reliant la partie haute du foyer 3 a l'entrée du cyclone 4, respectivement dans une vue de côté et une vue selon la direction F illustrée sur la figure 6. Le débit d'air tardif injecté au niveau de l'entrée AT est déterminé de façon à obtenir un coefficient optimal d'excès d'air x dans la partie "free board" dans laquelle les particules solides sont en circulation. Ce débit est par exemple choisi de l'ordre de 5 à 30% du débit total d'air de combustion. L'air tardif injecté est préférablement de l'air neuf et chaud, il a par exemple une température de l'ordre de 200 à 400 . Il est par exemple prélevé, sur le circuit fournisseur d'air secondaire, en aval du réchauffeur d'air, non représenté ici, de ce circuit. Cet air chaud est injecté en amont du ou éventuellement des cyclone(s) du système de combustion. L'injection s'effectue par l'intermédiaire d'injecteurs d'air, classiques et non représentés ici, qui débouchent dans la gaine 7 au travers d'orifice 8 schématisés sur les figures 6 et 7. Ces injecteurs et notamment leurs orifices 8 sont préférablement disposés de manière que les jets d'air tardif modifient les trajectoires des particules solides vers l'extrados du cyclone et qu'ils leur appliquent une force verticale vers le bas, avant qu'elles ne soient captées par action cyclonique. Cette action étant produite par un cyclone 8 ou éventuellement par un groupe de cyclones. Une amélioration du rendement de captation cyclonique des particules solides aspirées hors du foyer est obtenue grâce à l'action des jets d'air tardif sur les trajectoires des particules en mouvement dans la gaine 7. Cette amélioration du rendement de captation conduit à une amélioration du rendement de combustion du combustible solide. Un brassage intense est réalisé dans le cyclone entre, d'une part, les fumées sortant du foyer, avec une faible teneur en oxygène résiduel et éventuellement une teneur significative en imbrûlés gazeux, tel que par exemple du CO, et d'autre part, de l'air tardif neuf, ce qui permet de terminer la combustion des imbrûlés gazeux. Dans une forme de réalisation, des orifices 8 d'injection d'air tardif sont localisés sur la paroi verticale de gaine 7 constituant l'intrados, ils sont ici montrés répartis en deux rangées, une rangée d'orifices d'injection d'air tardif 8 peut également être prévue sur le toit de la gaine 7 qu'ils traversent. La forme et la disposition des divers orifices 8 sont préférablement choisies de manière que les ensembles que forment ces orifices s'étalent transversalement de manière maximale. Selon une variante de réalisation, il est prévu de positionner des injecteurs d'additifs, non représentés ici, dans au moins certains des orifices d'injection d'air tardif 8. Ces injecteurs d'additif sont, par exemple, des cannes d'injection d'additif de dénitrification, lorsqu'une dénitrification non-catalytique (SNCR) est prévue. L'injection d'air tardif à grande vitesse favorise alors la pénétration de l'additif à l'intérieur de la masse de fumée o il est injecté. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour améliorer la combustion dans un système (1), de type à lit fluidisé circulant, qui comporte un foyer (3) associé à au moins un cyclone (4), notamment pour la fourniture d'énergie à un échangeur thermique (2) dans le cadre d'une installation produisant de l'électricité, et qui fonctionne à partir de combustible introduit au bas du foyer o est créée une atmosphère réductrice et ou ce combustible subit une pyrolyse avec séparation en deux phases l'une, solide et composée de grains de coke et d'azote-coke provenant du combustible d'origine et l'autre, gazeuse, contenant les matières volatiles et notamment le reliquat de l'azote contenu dans le combustible d'origine, l'ensemble s'élevant dans le foyer o la combustion se poursuit en laissant subsister des particules incomplètement brûlées qui sont aspirées et renvoyées au bas du foyer par action cyclonique, ledit procédé prévoyant une injection d'air (AT), dit tardif, en plus de l'injection d'air primaire (AP) réalisée au bas du foyer et d'au moins une injection d'air secondaire (AS I, AS2) réalisée pour creer une atmosphère oxydante dans le foyer au-dessus de la zone basse de celui-ci o est créée une atmosphère réductrice, caractérisé en ce qu'il prévoit qu'une modification de la trajectoire des particules aspirées par action cyclonique soit réalisée sous l'action de l'air tardif injecté entre le haut du foyer et l'entrée du cyclone pour augmenter le rendement de captation cyclonique et en conséquence le rendement de combustion du système par combustion de particules restant autrement imbrûlées. 2/ Procédé, selon la revendication 1, dans lequel l'injection d'air tardif, neuf et chaud, est exploitée pour améliorer la combustion des imbrûlés gazeux contenus dans les fumées sortant du foyer, par l'action complémentaire de brassage qu'elle entraine. 3/ Procédé, selon l'une des revendications 1, 2, dans lequel le débit d'air tardif injecté en amont de l'entrée du cyclone est choisi de l'ordre de 5 aà 30% du débit total d'air fourni pour la combustion au système. 4/ Procédé, selon l'une des revendications I a 3, dans lequel les injections d'air primaire, secondaire et tardif sont telles qu'elles conduisent à des coefficients d'excès d'air X qui sont respectivement de l'ordre de 0,5 au bas du foyer dans la zone o l'atmosphère est réductrice, de 0,95 à 1, 15 dans une partie supérieure du foyer, située au-dessus de la précédente, o l'atmosphère est faiblement oxydante et de 1,15 à 1,3 au-delà, o l'injection d'air tardif produit son effet. 5/ Système de combustion, de type à lit fluidisé circulant, qui comporte un foyer (3) associé à au moins un cyclone (4), notamment pour la fourniture d'énergie à un échangeur thermique (2) dans le cadre d'une installation produisant de l'électricité, et qui tfonctionne à partir de combustible introduit au bas du foyer o est créée une atmosphère réductrice et o ce combustible subit une pyrolyse avec séparation en deux phases l'une, solide et composée de particules de coke contenant une traction azote-coke provenant du combustible d'origine et l'autre, gazeuse, contenant les matières volatiles et notamment le reliquat de l'azote contenu dans le combustible d'origine, les particules et les matières volatiles s'élevant dans le foyer o la combustion se poursuit en laissant subsister des particules incomplètement brûlées qui sont aspirées et renvoyées au bas du foyer par le cyclone, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte un agencement d'injection d'air comportant des moyens pour injecter de l'air (AT), dit tardif, neuf et chauffé, positionnes entre le haut du foyer et une entrée du cyclone et agencés pour agir sur la trajectoire des particules aspirées de manière à augmenter le rendement de captation cyclonique, en plus des moyens permettant une injection d'air primaire (AP) au bas du foyer pour y créer une atmosphère réductrice et de moyens permettant une injection d'air secondaire (AS I, AS2) pour créer une atmosphère oxydante dans une zone du foyer située au-dessus de la zone basse de celui-ci o est créée une atmosphère réductrice. 6/ Système de combustion, selon la revendication 5, dans lequel les moyens d'injection d'air tardif comportent des injecteurs débouchant dans une gaine (7), par l'intermédiaire de laquelle le haut du foyer est relié à l'entrée cyclonique, au travers d'orifices (8) localisés sur la paroi d'intrados de gaine. 7/ Système de combustion, selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'injection d'air tardif comportent des injecteurs débouchant dans la gaine au travers d'orifices ménagés dans la gaine au travers de son toit. 8/ Système de combustion, selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel les injecteurs d'air tardif sont alimentés en air chaud et neuf depuis un réchauffeur d'air du système, via un circuit qui fournit l'air secondaire de ce système. 9/ Système de combustion, selon l'une des revendications 5 à 8, dans lequel des injecteurs d'additif sont positionnes dans des orifices d'injecteurs d'air tardif de manière à pénétrer dans la gaine par leur intermédiaire et pour favoriser la pénétration de l'additif à l'intérieur de la masse de fumées ou cet additif est injecté.