Brevet FR2902350A1 — publié le 20071221

SYSTEME D'INJECTION DE LIQUIDE REACTIF ATOMISE POUR LA REDUCTION D'OXYDES D'AZOTE DE GAZ DE COMBUSTION La présente invention concerne un système d'injection 5 de liquide réactif atomisé pour la réduction d'oxydes d'azote présents dans des gaz de combustion. On connaît des systèmes d'injection d'une solution liquide d'ammoniaque ou d'urée afin de réduire les oxydes d'azote. Cependant, il est difficile, par les systèmes 10 actuels, d'injecter une quantité de réactif suffisante pour avoir un taux d'oxydes d'azote en sortie de cheminée répondant aux normes environnementales sans que le taux d'ammoniac (provenant soit directement de l'évaporation de la solution aqueuse d'ammoniaque, soit de l'hydrolyse 15 de l'urée) en sortie de cheminée soit excessif par rapport aux normes le concernant. Certains de ces systèmes multiplient les injections de réactif (donc la nécessité de création d'ouvertures dans les parois de l'enceinte), en étant toutefois limité par les conditions 20 thermiques devant être observées pour que la réaction de réduction se produise (en général, la température des gaz doit être comprise entre 900 et 1050 C). Dans d'autres systèmes, la quantité de réactif étant excessive, il est nécessaire de neutraliser l'ammoniac résiduel avant sa 25 sortie à l'atmosphère. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités sans apporter des modifications structurelles importantes aux enceintes dans lesquelles circulent les gaz de combustion. 30 Selon l'invention le système comprend au moins une canne d'injection, chaque canne d'injection comprenant, à son extrémité libre, une chambre d'injection qui comporte au moins un orifice d'injection permettant la réalisation d'un jet d'émulsion dans l'enceinte dans laquelle circule les gaz de combustions, et une ouverture d'alimentation en émulsion reliant la chambre d'injection à une chambre d'émulsion dans laquelle est réalisée l'émulsion par le mélange du liquide réactif provenant d'une conduite centrale qui est délimitée par un premier tube et dont l'extrémité axiale aval forme la chambre d'émulsion, avec un fluide auxiliaire de pulvérisation provenant d'une conduite annulaire qui est délimitée par un tube externe et le premier tube dont la portion délimitant la chambre d'émulsion est configurée de façon à permettre le passage du fluide auxiliaire de pulvérisation, le système d'injection comprenant au moins trois orifices d'injection, tous les orifices étant répartis, à 10 près, dans un même plan d'injection ou dans des plans d'injection parallèles entre eux. De cette façon, la limitation de la direction des injections à un même plan (voire à plusieurs plans parallèles entre eux) permet d'avoir une plus grande homogénéité dans le traitement des oxydes d'azote, sans tenir compte du brassage naturel des gaz de combustion qui ne peut qu'améliorer la qualité de l'homogénéité du traitement liée à l'invention. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description de quatre modes de réalisation de la présente invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés dans les dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue en coupe d'une conduite dans laquelle circule des gaz de combustion, munie d'un système d'injection conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention ; La figure 2 est une vue similaire à la figure 1, le système d'injection étant conforme à un second mode de 5 réalisation de la présente invention ; La figure 3 est une vue en coupe d'un système d'injection formé par une canne d'injection et conforme à un troisième mode de réalisation de la présente invention ; 10 La figure 4 est une vue similaire à la figure 3, le système étant conforme à un quatrième mode de réalisation de la présente invention. Les figures 1 et 2 représentent une enceinte 1 qui est formée par une gaine 1 dans laquelle circule des gaz 15 de combustion, et à laquelle est associé un système d'injection 2 permettant l'injection d'un liquide réactif atomisé pour la réduction des oxydes d'azote contenus dans ces gaz de combustion. Dans ces figures, la vue en coupe est réalisée selon la section droite de la gaine 1. 20 Le système d'injection 2 comprend au moins une canne d'injection 3 (deux identiques dans l'exemple de la figure 1, et une dans celui de la figure 2), chaque canne d'injection 3 comprend au moins un orifice d'injection 4 (quatre dans l'exemple de la figure 1, trois dans celui 25 de la figure 2, deux dans celui de la figure 3, et cinq dans celui de la figure 4), le système d'injection 1 comprenant au moins trois orifices d'injection 4. Tous les orifices d'injection 4 sont répartis dans un même plan d'injection ou dans des plans d'injection parallèles 30 entre eux. Toutefois, l'orientation des orifices d'injection 4 peut s'écarter à 10 près du plan d'injection correspondant. Dans les présents exemples, les orifices d'injection 4 sont tous orientés dans un même plan d'injection. Comme on peut le voir aux figures 3 et 4, dans les présents exemples, une canne d'injection 3 comprend, à son extrémité libre, une chambre d'injection 5 qui comporte l'ensemble des orifices d'injection 4 de la canne d'injection 3. Ces orifices d'injection 4 permettent la réalisation d'un jet d'émulsion dans l'enceinte 1. La chambre d'injection 5 comprend également une ouverture d'alimentation en émulsion 6 qui la relie à une chambre d'émulsion 7 dans laquelle est réalisée l'émulsion. L'émulsion est réalisée par le mélange du liquide réactif (ici, une solution aqueuse d'ammoniaque) avec un fluide auxiliaire de pulvérisation (ici, de l'air). Le liquide réactif provient d'une conduite centrale 8 qui est délimitée par un premier tube 9 et dont l'extrémité axiale aval forme la chambre d'émulsion 7. Le fluide auxiliaire de pulvérisation provient d'une conduite annulaire 10 qui est délimitée par le premier tube 10 et un tube externe 11 entourant ce premier tube 9. La portion 12 du premier tube 9 qui délimite la chambre d'émulsion 7 est configurée de façon à permettre le passage du fluide auxiliaire de pulvérisation de la conduite annulaire 10 à cette chambre. En l'occurrence, cette portion 12 est perméable au fluide auxiliaire de pulvérisation. Par ailleurs, le fluide auxiliaire étant en contact avec le tube externe 11 de la canne d'injection, il fait également office de fluide de refroidissement. Dans l'exemple illustré à la figure 3, la chambre d'injection 5 qui s'étend radialement uniquement jusqu'au premier tube 9, comporte deux orifices d'injection 4 identiques (de section droite identique) et symétriques par rapport à l'axe de la canne d'injection 3. Il est à noter que l'ouverture d'alimentation en émulsion 6 s'étend radialement sur l'ensemble de la chambre d'injection 5. Dans l'exemple illustré à la figure 4, la chambre d'injection 5 qui s'étend radialement uniquement jusqu'au tube externe 11, comporte trois groupes d'orifices d'injection 4 : un premier formé par un seul orifice d'injection 13 orienté dans l'axe de la canne d'injection 3 ; un second formé par deux orifices d'injection 14 identiques (de sections droites identiques entre elles mais inférieures de celle de l'orifice d'injection central 13), symétriques par rapport à l'axe de la canne d'injection 3 et orientés selon un angle aigu par rapport à cet axe ; et un troisième formé par deux orifices d'injection 15 identiques (de sections droites identiques entre elles et inférieures aux trois premiers orifices d'injection 13,14), symétriques par rapport à l'axe de la canne d'injection 3 et orientés selon un angle obtus par rapport à cet axe (afin de permettre une projection en arrière). Préalablement à la mise en place du système d'injection 2 dans l'enceinte 1 (dans une zone où la température permet la réduction des oxydes d'azote), le nombre d'orifices d'injection 4, leur disposition, leur orientation et leur section droite sont déterminés de façon à permettre la réalisation, dans l'enceinte 1, de jets d'émulsion répartis de façon optimale dans l'ensemble des plans d'injection. Ces déterminations dépendent notamment de la géométrie de la section droite de l'enceinte 1 ainsi que de la nature du fluide circulant dans l'enceinte 1. Ainsi, la présence de particules plus ou moins lourdes accompagnant les gaz de combustion limite la pénétration des cannes d'injection 3 et favorise leur emplacement à proximité immédiate des parois de l'enceinte 1. En outre, pour chaque orifice d'injection 4, sa section droite est déterminée en fonction de la distance, dans la direction de l'orifice d'injection 4, entre la tête de la canne d'injection 3 correspondante et la paroi de l'enceinte 1 lui faisant face. De façon assez générale, à partir de l'emplacement de la chambre d'injection dans l'enceinte, la section droite de l'enceinte est divisée en secteurs géométriques ayant tous un sommet formé par un orifice d'injection. Préférablement, chaque secteur géométrique est défini par les parois de la section droite de l'enceinte et, en fonction du cas d'espèce, de médiane, diagonale, médiatrice ou bissectrice de cette section droite. De même, l'orientation de chaque orifice d'injection est déterminée de façon à ce que la trajectoire du jet soit optimale en fonction de la géométrie du secteur géométrique correspondant. De préférence, cette orientation est une médiane, diagonale, médiatrice ou bissectrice de ce secteur géométrique. Dans l'exemple illustré à la figure 1, la section droite de l'enceinte 1 a la forme d'un rectangle dont la longueur est le double de la largeur. Le positionnement de deux cannes d'injection 3 symétriques l'une de l'autre de sorte que leur chambre d'injection 5 soit disposée au centre du carré correspondant (dont le côté est égal à la largeur du rectangle), et l'emploi, pour chaque canne d'injection, de quatre orifices d'injection 4 qui sont orientées selon les diagonales du carré correspondant et qui ont des sections droites égales, permettent d'avoir une répartition particulièrement homogène du liquide réactif atomisé. Dans l'exemple illustré à la figure 2, la section droite de l'enceinte 1 a la forme d'un rectangle. Le positionnement d'une seule canne d'injection 3 au milieu de la largeur (à proximité immédiate de la paroi de l'enceinte 1) ayant trois orifices d'injection 4, l'un étant orienté parallèlement à la longueur de la section droite de l'enceinte 1 et les deux autres identiques entre eux et symétriques par rapport au premier (de section droite différente) qui sont orientées en direction de milieu de la longueur correspondante, permet également d'avoir une répartition particulièrement homogène du liquide réactif atomisé. Les débits du liquide réactif et du fluide auxiliaire de pulvérisation et la pression de ce dernier sont déterminés de façon à obtenir des jets de pulvérisation dont les longueurs sont adaptées aux distances, dans les directions des orifices d'injection 4, entre les têtes des cannes d'injection 3 et les parois de l'enceinte 1 leur faisant face. Par exemple l'air peut avoir une pression relative de 0,8 bar et un débit supérieur à 20% de celui du liquide réactif. De façon générale, une augmentation du débit de l'eau (dans le liquide réactif) entraîne une augmentation des jets de pulvérisation correspondants. La présente invention n'est pas limitée aux présents modes de réalisation. Ainsi, la gaine formant l'enceinte dans laquelle circulent les gaz de combustion pourrait être utilisée avec des fours de sidérurgie ou des installations de calcination de minéraux tels que du ciment ou de la chaux. L'enceinte pourrait également être aussi bien être le foyer de combustion de chaudières, fours (par exemple fours de pétrochimie), séchoirs, le système étant alors disposé en sortie du foyer. Dans ce cas, le plan d'injection est perpendiculaire aux lignes d'écoulement des fumées au niveau du système d'injection. La section droite de l'enceinte au niveau du plan d'injection pourrait avoir une forme autre que rectangulaire, par exemple être circulaire, ovale, polyédrique. Dans le cas de systèmes d'injection à plusieurs cannes, celles-ci pourraient être différentes. Le système d'injection pourrait comprendre plusieurs cannes d'injection ayant chacune un seul orifice d'injection. Le liquide réactif pourrait être une solution aqueuse d'urée seule ou avec de l'ammoniaque. Afin d'améliorer le refroidissement de la canne d'injection, le tube extérieur pourrait comprendre des orifices permettant l'évacuation d'une partie du fluide auxiliaire hors de la canne, ces orifices, quand disposés à proximité de l'extrémité libre de la canne, étant de préférence agencés avec des déflecteurs obligeant le fluide à longer le tube (à contre-courant par rapport a fluide circulant dans la conduite annulaire). REVENDICATIONS 1. Système d'injection (2) de liquide réactif atomisé pour la réduction d'oxydes d'azote dans des gaz de combustion situés dans une enceinte (1), le système (2) comprenant au moins une canne d'injection (3), chaque canne d'injection (3) comprenant, à son extrémité libre, une chambre d'injection (5) qui comporte au moins un orifice d'injection (4) permettant la réalisation d'un jet d'émulsion dans l'enceinte (1), et une ouverture d'alimentation en émulsion (6) reliant la chambre d'injection (5) à une chambre d'émulsion (7) dans laquelle est réalisée l'émulsion par le mélange du liquide réactif provenant d'une conduite centrale (8) qui est délimitée par un premier tube (9) et dont l'extrémité axiale aval forme la chambre d'émulsion (7), avec un fluide auxiliaire de pulvérisation provenant d'une conduite annulaire (10) qui est délimitée par un tube externe (11) et le premier tube (9) dont la portion (12) délimitant la chambre d'émulsion (7) est configurée de façon à permettre le passage du fluide auxiliaire de pulvérisation, le système d'injection (2) comprenant au moins trois orifices d'injection (4), tous les orifices (4) étant répartis dans un même plan d'injection ou dans des plans d'injection parallèles entre eux, à 10 près. 2. Système d'injection (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il ne comprend qu'une seule canne d'injection (3) 3. Système d'injection (2) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour chaque canne d'injection (3), la portion (12) du premier tube (9)délimitant la. chambre d'émulsion (7) est perméable au fluide auxiliaire de pulvérisation. 4. Système d'injection (2) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre d'orifices d'injection (4), leur disposition et leur section droite sont déterminés de sorte que, à partir de l'emplacement de la chambre d'injection (5) dans l'enceinte (1), la section droite de l'enceinte (1) est divisée en secteurs géométriques ayant tous un sommet formé par un orifice d'injection (4), chaque secteur géométrique étant défini par les parois de la section droite de l'enceinte (1) et en fonction de médiane, diagonale, médiatrice ou bissectrice de cette section droite, l'orientation de chaque orifice d'injection (4) étant une médiane, diagonale, médiatrice ou bissectrice du secteur géométrique correspondant. 5. Système d'injection (2) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que pour chaque orifice d'injection (4), sa section droite est déterminée en fonction de la distance, dans la direction de l'orifice d'injection (4), entre la tête de la canne d'injection (3) correspondante et la paroi de l'enceinte (1) lui faisant face. 6. Procédé de réduction d'oxydes d'azote dans des gaz de combustion situés dans une enceinte (1) caractérisé en ce qu'il est réalisé par l'utilisation d'un système d'injection (2) conforme à l'une des revendications 1 à 5. 7. Procédé de réduction selon la revendication 6, 30 caractérisé en ce que le liquide réactif une solution aqueuse d'urée et/ou d'ammoniaque.. Procédé de neutralisation selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire de pulvérisation est de l'air. 9. Procédé de neutralisation selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'air a une pression relative de 0,8 bar et possède un débit supérieur à 20% du débit du liquide réactif.