Brevet FR2948442A1 — publié le 20110128

L'invention a trait aux problèmes de la combustion d'un combustible et d'un comburant dans les chaudières ou autres centrales thermiques destinées à fournir de la chaleur ou à produire de l'électricité. Comme comburant on considère généralement un comburant gazeux comme l'air. Comme combustible, on peut considérer aussi bien un combustible solide, comme le charbon, ou un combustible gazeux ou liquide, comme un hydrocarbure (fioul). Les problèmes auxquels il est fait ici référence sont nombreux : formation de divers composés nocifs pour l'environnement et les personnes, comme les oxydes de soufre et d'azote, le soufre étant présent dans le combustible et l'azote, dans l'air, et comme le monoxyde de carbone (CO), formation de résidus carbonés entraînant une perte de carbone non utilisé et des déchets non valorisables, formation de suie qui provoque un encrassement des corps de chauffe et des surfaces d'échange et donc une baisse du rendement énergétique et l'obligation de ramonages répétés. Pour pallier ou réduire ces problèmes, on a déjà proposé de privilégier la formation de CO2 au dépens des composés qu'on souhaiterait éviter ainsi que de contrôler la quantité d'air ou d'accélérer la vitesse de réaction, le tout grâce à l'adjonction d'un catalyseur dans l'air de combustion, qui augmente la vitesse de réaction et se comporte comme un agent sélectif favorisant la production du produit désiré au détriment des produits secondaires. Ainsi, le document FR 2 837 214 enseigne de mélanger des vapeurs catalytiques à l'air de combustion et, notamment, des vapeurs d'un catalyseur organométallique et, plus particulièrement, des vapeurs de méthylcyclopentadienyl manganèse tricarbonyl. Par le document FR 0806792 il est proposé un équipement permettant la meilleure combustion possible au regard des problèmes évoqués ci-dessus, grâce, non seulement, à une optimisation de l'aspiration des vapeurs catalytiques de l'air de combustion mais également à un réglage permettant d'obtenir le meilleur rapport carbone/air, le rendement énergétique le plus haut et le taux de rejet polluant le plus bas. Trop d'air entraîne une perte d'énergie et la formation de composés nocifs, pas assez d'air, la formation de CO et de poussières. Le document FR 0806792 enseigne ainsi un équipement destiné à être monté en amont d'un dispositif d'aspiration d'un comburant gazeux dans un corps de chauffe destiné à recevoir également un combustible, le comburant étant mélangé à des vapeurs catalytiques, autrement dit imbibé de molécules de catalyseur. Une telle solution aux problèmes de rendement, de pollution et de ramonages est bonne, mais elle est limitée en puissance. En effet, cette technologie d'imprégnation de vapeurs ne convient que pour des puissances utiles qui ne dépassent pas environ 120 mégawatts (MW), en raison du débit limité à une production de vapeurs catalytiques d'environ 7 I/jour. L'invention de la présente demande, vise à proposer une solution permettant de bénéficier d'un débit de produit catalytique injecté dans le comburant bien supérieur, pouvant atteindre 30, voire 40, I/jour, et même des centaines de litres par jour avec, par exemple, un catalyseur peu concentré en manganèse. Le document FR 2837214 enseigne, outre de mélanger à l'air de combustion des vapeurs catalytiques, d'injecter aussi, en très fines gouttelettes, un agent catalytique dans le combustible (indirectement dans l'air de combustion aussi) près du point d'inflammation du combustible, c'est-à-dire dans le corps de chauffe. Une telle solution présente l'inconvénient d'avoir à percer les parois du corps de chauffe, opération qui pourrait être complexe du fait de la présence de faisceaux tubulaires. La présente demande propose donc une solution plus satisfaisante au problème de la combustion d'un combustible et d'un comburant dans un corps de chauffe de chaudière ou centrale thermique de grande puissance destinée à fournir de la chaleur ou à produire de l'électricité. Par le document WO 2006/037952, on connaît encore un procédé de combustion d'un mélange d'un combustible et d'un comburant gazeux primaire dans un corps de chauffe, procédé dans lequel le comburant gazeux primaire est aspiré dans le corps de chauffe et le combustible y est entraîné et brûlé. Selon ce procédé, on injecte dans le comburant gazeux primaire, avant qu'il ne soit aspiré dans le corps de chauffe, un nuage de fines gouttelettes d'un agent catalytique. Toutefois, si le comburant primaire de combustion (air) est réchauffé, les propriétés chimiques des gouttelettes du catalyseur, au contact de l'air chaud, pourraient être altérées, ces gouttelettes pouvant même être chimiquement détruites. De même, si l'air de combustion n'est pas réchauffé, les gouttelettes qui y sont injectées pourraient toujours, par le froid relatif de cet air de combustion, se condenser et limiter l'homogénéisation air-catalyseur. L'invention de la présente demande vise donc, et finalement, à encore perfectionner le procédé du document WO 2006/ 037952. Ainsi, l'invention concerne un procédé du type mentionné ci-dessus, caractérisé par le fait qu'on injecte, dans le comburant gazeux primaire, un comburant gazeux secondaire pour envelopper le nuage de fines gouttelettes et limiter le gradient de température entre le comburant gazeux primaire et les gouttelettes catalytiques. Ainsi, grâce à la limitation du gradient de température, et donc à la compensation thermique de l'invention, les gouttelettes du catalyseur qui sont injectées dans le comburant primaire sont bien préservées. Si le comburant gazeux primaire est réchauffé avant que les gouttelettes catalytiques n'y soient injectées, on injecte un comburant secondaire à une température sensiblement ambiante.30 Par comburant primaire réchauffé, il faut entendre un comburant à une température comprise sensiblement entre 100 et 200°C. Si le comburant gazeux primaire dans lequel les gouttelettes catalytiques sont injectées est à température ambiante, on injecte un comburant secondaire à une température légèrement supérieure à la température ambiante, soit environ 40°C. L'invention concerne également un équipement destiné à être monté en amont d'un dispositif d'aspiration d'un comburant gazeux primaire dans un corps de chauffe destiné à recevoir également un combustible à mélanger 'au comburant gazeux primaire pour y être brûlé, comprenant une conduite d'aspiration à relier au dispositif d'aspiration, système caractérisé par le fait qu'il comporte une buse d'atomisation et d'injection d'un liquide catalytique qui débouche dans la conduite d'aspiration, des moyens pour injecter dans la conduite d'aspiration un comburant gazeux secondaire et des moyens pour envelopper par le comburant gazeux secondaire le liquide catalytique atomisé à la sortie de la buse. Avantageusement, la buse d'atomisation et d'injection du liquide catalytique est disposée à l'extrémité d'une canalisation d'injection du comburant gazeux secondaire qui est disposée à l'intérieur de la conduite d'aspiration. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de l'équipement et du procédé de combustion de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel la figure 1 illustre une application de l'équipement de l'invention à un corps de chauffe d'une centrale thermique au charbon, de production d'électricité ; - la figure 2 est une vue schématique de l'équipement de l'invention pour l'injection du liquide catalytique et de l'air secondaire de compensation thermique dans la conduite d'aspiration de la centrale de la figure 1 et la figure 3 est une vue schématique, à beaucoup plus grande échelle, de l'ensemble de la buse d'atomisation du liquide catalytique, du conduit d'injection d'air secondaire et de la conduite d'aspiration d'air primaire. En référence à la figure 1, l'équipement de l'invention, qui va être décrit, est destiné à être raccordé à l'entrée d'une gaine 1 d'aspiration d'air primaire (comburant gazeux) dans un corps de chauffe 2, ici d'une centrale thermique au charbon (combustible). 10 Le charbon est recueilli sur un convoyeur 3 circulant sous un silo 4 et est entraîné dans le corps de chauffe 2 tout comme l'air provenant de la gaine 1. Le charbon est brûlé dans le corps de chauffe 2, avec production de CO2 et autres fumées et composés gazeux secondaires évacués par une 15 cheminée 5, d'une part, et de cendres et autres composés solides non brûlés évacués par une trappe 6, d'autre part. Un circuit eau/vapeur 7 d'une turbine 8 s'étend autour du corps de chauffe 2 pour entraîner une génératrice 9 produisant, à travers un poste de 20 transformation 10, l'électricité désirée (11). La turbine 8 est refroidie par un circuit de refroidissement 12. Le mélange gazeux aspiré dans le corps de chauffe 2 est produit par l'équipement qui va maintenant être décrit. 25 L'équipement de la figure 2 comporte une cuve 15 de stockage d'une solution liquide à base de catalyseur de combustion, ici de méthylcyclopentadienyl manganèse tricarbonyl (MMT). Cette cuve 15 est reliée, par un tuyau 16, à un compresseur-pompe 17, lui-même relié par une 30 double canalisation 18, 19 à un injecteur 20, qui s'étend en partie dans une conduite d'aspiration 21 reliée à l'aspirateur 1. L'injecteur 20 est également relié, par une canalisation 22, à un coffret 23 de ventilation d'air secondaire (le comburant gazeux secondaire évoqué plus haut).5 Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, il est prévu sur la conduite d'aspiration 21, en amont de l'injecteur 20, un réchauffeur d'air 24, qui améliore l'efficacité du procédé de combustion. Tout cet équipement vise à injecter un catalyseur dans l'air primaire de combustion (le comburant gazeux primaire évoqué plus haut) aspiré dans la canalisation 21 sous forme d'un nuage (spray) de fines gouttelettes provenant de l'atomisation du liquide de la cuve 15 dans une buse 25 d'atomisation et d'injection du liquide qui est disposé dans l'injecteur 20, à l'extrémité de la canalisation 22 d'injection de l'air secondaire du coffret 23, extrémité qui est disposée à l'intérieur de la conduite d'aspiration 21. Le compresseur-pompe 17 permet également de faire la régulation de débit de catalyseur, d'ajuster le débit du spray en fonction de la puissance de l'installation. La première canalisation 18 reliant le compresseur-pompe 17 à l'injecteur 20 est une canalisation de transport du flux catalytique et, la seconde canalisation 19, une canalisation d'air ambiant comprimé pour l'atomisation du flux catalytique dans la buse 25. Les deux canalisations 18, 19 débouchent dans la chambre de pulvérisation 26 de la buse 25. L'air primaire aspiré dans la conduite d'aspiration 21, avant d'arriver dans le corps de chauffe 2, est donc mélangé à un nuage 27 de fines gouttelettes du catalyseur de la cuve 15 qui sont brassées avec l'air primaire. Grâce à l'air secondaire du coffret 23, injecté par la canalisation 22, à la sortie de la buse 25, dans la conduite d'aspiration 21, le nuage de fines gouttelettes 27 est enveloppé par cet air secondaire 28 qui préserve l'intégrité de ces fines gouttelettes. Si comme dans l'exemple représenté sur la figure 2, l'air primaire de la conduite d'aspiration 21 est réchauffé (par le réchauffeur 24) et se trouve à une température comprise entre 100 et 200°C, l'air secondaire du coffret 23 est un air froid (à température ambiante). Si l'installation de combustion ne comporte pas de réchauffeur et l'air primaire est à la température ambiante, alors, l'air secondaire du coffret 23 est légèrement réchauffé à une température légèrement supérieure à la température ambiante, à environ 40°C. Il peut être prévu dans la conduite d'aspiration 21, en amont de l'injecteur 20, une turbine de brassage pour obtenir une parfaite et homogène répartition du produit catalytique dans l'air de combustion, ou, plus simplement, une tête de pulvérisation rotative entraînée par le flux d"air comprimé. On notera que le nuage catalytique est formé dans l'air primaire, près du foyer, mais pas trop près, ce qui contamine la flamme de combustion dès sa base. Le débit de la buse 25 peut être ajusté. Le contrôle du débit de la buse 25 peut être réalisé par l'équipement 17 contenant un automatisme de régulation en fonction de la charge du corps de chauffe. Certains catalyseurs de combustion peuvent avoir une certaine rémanence dans les chambres de combustion. Dans certains cas, l'injection ne se fera donc pas en continu mais de façon périodique en fonction du suivi de certains paramètres relevés en sortie de foyer. Par exemple, lorsqu'on atteint un certain taux de poussières, l'injection peut être suspendue tant que ce taux ne remonte pas. Il s'agit là d'économiser la quantité de produit injectée. 30 REVENDICATIONS1. Procédé de combustion d'un mélange d'un combustible (4) et d'un comburant gazeux primaire (1) dans un corps de chauffe (2), procédé dans lequel le comburant gazeux primaire est aspiré dans le corps de chauffe (2) et le combustible y est entraîné (3) et brûlé, le comburant gazeux primaire, avant d'être aspiré dans le corps de chauffe, étant mélangé à un nuage (27) de fines gouttelettes d'un agent catalytique et brassé avec elles, caractérisé par le fait qu'on injecte (20), dans le comburant gazeux primaire, un comburant gazeux secondaire (28) pour envelopper le nuage de fines gouttelettes (27) et limiter le gradient de température entre le comburant gazeux primaire et les gouttelettes catalytiques. 2. Procédé de combustion selon la revendication 1, selon lequel le comburant gazeux primaire est réchauffé (24) avant que les gouttelettes catalytiques n'y soient injectées et on injecte un comburant secondaire (28) à une température sensiblement ambiante. 3. Procédé de combustion selon la revendication 1, selon lequel le comburant gazeux primaire dans lequel les gouttelettes catalytiques sont injectées est à température ambiante et on injecte un comburant secondaire (28) à une température légèrement supérieure à la température ambiante. 4. Procédé de combustion selon l'une des revendications 1 à 3, selon lequel 25 on considère comme agent catalytique du méthylcyclopentadienyl manganèse tricarbonyl (MMT). 5. Equipement destiné à être monté en amont d'un dispositif (1) d'aspiration d'un comburant gazeux primaire dans un corps de chauffe (2) destiné à 30 recevoir également un combustible (4) à mélanger au comburant gazeux primaire pour y être brûlé, comprenant une conduite d'aspiration (21) à relier au dispositif d'aspiration (1), système caractérisé par le fait qu'il comporte une buse (25) d'atomisation et d'injection d'un liquide catalytique (27) qui débouche dans la conduite d'aspiration (21), des moyens (22, 23) pourinjecter dans la conduite d'aspiration (21) un comburant gazeux secondaire (28) et des moyens (20) pour envelopper par le comburant gazeux secondaire (28) le liquide catalytique atomisé à la sortie de la buse (25). 6. Equipement selon la revendication 5, dans lequel la buse (25) d'atomisation et d'injection du liquide catalytique (27) est disposée à l'extrémité d'une canalisation (22) d'injection du comburant gazeux secondaire qui est disposée à l'intérieur de la conduite d'aspiration (20). 7. Equipement selon la revendication 6, dans lequel la buse d'atomisation et d'injection (25) est disposée dans un injecteur (20), à l'intérieur de l'extrémité de la canalisation (22) d'injection du comburant gazeux secondaire. 8. Equipement selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel il est prévu dans la conduite d'aspiration (21), en amont de la buse d'atomisation et d'injection (25), un réchauffeur (24). 25 30 35 40