BE793696A

BE793696A - Procede et dispositif de reduction de la teneur en matieres polluantes des gaz de combustion

Info

Publication number: BE793696A
Authority: BE
Inventors: P G La Haye; G D Craig; J L Turecek; D T Feuling
Original assignee: Aqua Chem Inc
Priority date: 1972-01-06
Publication date: 1973-07-05
Also published as: ES410405A1; IT978041B

Description

Les oxydes d'azote et l'oxyde de carbone sont

des matières polluantes gazeuses formées par la combustion des combustibles hydrocarbonés. Comme les normes

de lutte contre la pollution sont de plus en plus sévères,

la réduction ou l'élimination de ces produits pose un

problème important.

L'invention concerne la réduction de la pollution

les gaz des brûleurs de combustibles carbones et hydrocarbonés, l'émission de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures

non brûlés étant minimale. Un dispositif purificateur fait

réagir NOx avec les hydrocarbures non brûlés, formant ainsi

de l'azote et du gaz carbonique qui ne sont pas nuisibles,

et les hydrocarbures résiduels sont 'totalement oxydés

ou brûlés par un second étage de combustion, et forment

du gaz carbonique qui peut être évacué dans l'atmosphère

avec l'azote. Des conditions réglées de combustion per- .

mettent la production d'une quantité pratiquement nulle

Les dispositifs de l'invention s'adaptent facilement à

toutes sortes de chaudières et autres dispositifs de

combustion.

'Plus précisément., l'invention concerne la sépa-

ration d'une chambre de combustion en' deux étages. Dans

le premier, le combustible hydrocarboné est brûlé'avec

une quantité d'air insuffisante pour l'oxydation complète de la totalité du carbone-du combustible, si bien

qu'une quantité importante d'hydrocarbures non brûlés est

intentionnellement formée dans les produits gazeux de combustion'. Certains oxydes d'azote nuisibles sont aussi produits, mais en quantité relativement faible car la production de ces oxydes est inhibée par la présence d'hydrocarbures non brûlés et de quantités notables d'oxyde

de carbone.. En pratique, la zone primaire reçoit 75 ou 80 %

ture au-dessus de laquelle se forment des quantités no- <EMI ID=4.1>

Dans un premier mode.de réalisation de l'invention, les gaz produits dans la zone primaire-de combustion passent dans un réseau poreux ou un lit de matières réfractaires relativement inertes. Les gaz sont dispersés dans le lit

drocarbures non brûlés réagissent et forment C02 et N2. De préférence, un catalyseur présent dans le réseau favorise cette réaction. Les gaz de combustion, contenant

bustion où une matière contenant de l'oxygène, par exemple de l'air, est introduite de manière convenable, par exemple par injection dans le courant de gaz. L'oxygène oxyde les hydrocarbures résiduels non brûlés et la ma-

tiellement formés de C02 et de N2 qui ne sont pas nuisibles et qui peuvent être évacués sans l'atmosphère,

sans créer de pollution. Le lit de dispersion ou le réseau" et l'é.tage de combustion secondaire sont disposés dans

la chambr'e de combustion de manière à ne pas nuire à la combustion et à permettre l'extraction d'un grand pourcentage de la chaleur disponible dans les gaz de combustion, de manière utile. _

Dans un second mode de réalisation de l'invention, tous les gaz chauds provenant de la zone primaire' passent dans une zone secondaire.de 'combustion où de l'air est injecté dans le courant gazeux et oxyde l'oxyde de carbone, les hydrocarbures non brûlés et les matières carbonées,

que la température ne dépasse jamais celle à laquelle

en quantité importante. La zone de combustion secondaire comprend plusieurs tubes perforés sur lesquels doivent passer les produits gazeux de combustion sortant de la zone primaire. L'air à une pression positive passe dans les tubes en provenance d'une réserve convenable. Les tubes ont des

<EMI ID=10.1> combustion. L'air secondaire se mélange avec les gaz et favorise une combustion à basse température qui oxyde

Ce mode de réalisation de l'invention peut être aussi caractérisé par le réglage de la quantité totale d'air nécessaire à la combustion du combustible à .des débits prépondérants, de manière habituelle. Plus précisément, un registre primaire peut régler le débit d'air introduit dans la zone de combustion primaire.

Ce registre primaire travaille en coordination avec la commande d'alimentation en combustible, en fonction de

la chaleur demandée au système. Un registre secondaire règle automatiquement le débit d'air secondaire en fonction de la teneur en CO des gaz de cheminées.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite' en référence aux dessins annexés sur lesquels :

'- la figure 1 est une élévation latérale, en coupe verticale partielle, d'une chaudière selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; <EMI ID=12.1>

de la figure 1 ;
- la figure- 3 est une vue partielle d'une partie du dispositif de purification de gaz des figures 1 et 2 ;
- la figure 4 est une coupe schématique d'une variante du mode de réalisation de la figure 1 ;
- la figure 5 est une élévation latérale, en coupe verticale partielle, d'une chaudière selon un second mode de réalisation préféré . de l'invention
- la figure 6 est une élévation de la chaudière de la figure 5 ;
- la figure 7 est une élévation du brûleur secondaire, dans la direction des flèches 7 de la figure 5 ; <EMI ID=13.1> daire de la figure 7 ;
- la figure 9 est une élévation d'une variante, de brûleur secondaire selon le second mode de réalisation préféré, avec des parties arrachées, représenté en coupe ;
- la figure 10 est une coupe transversale suivant la ligne 10-10 de la figure 9 ;

et
- la figure 11 est une coupe d'un ensemble à tubes de brûleur suivant la ligne 11-11 de la figure 9. La figure 1 représente une chaudière 10 destinée à former de la vapeur d'eau, dans un-premier mode de réalisatibn préféré de l'invention. La chaudière comprend un réservoir supérieur 11 relié à un réservoir inférieur
12 d'alimentation en eau par plusieurs tubes 13 remplis d'eau. Ces tubes et les réservoirs 11 et 12 délimitent un espace dans lequel la chaleur est échangée entre les gaz chauds de combustion et les tubes et réservoirs. Dans la région inférieure avant de la chaudière est disposée une chambre 14 de brûleur revêtue d'une matière réfrac- <EMI ID=14.1>

une chambre de combustion.

.L'extrémité avant de la chambre 14 comprend un orifice 16 dans lequel est monté un brûleur non représenté. Celui-ci peut être de tout type connu utilisé pour la combustion d'hydrocarbures vaporisés ou d'un combustible gazeux en présence'd'air.

Un ensemble purificateur 17 de gaz comprenant

un support réfractaire 18 destiné à contenir un lit 19

de dispersion ce gaz est disposé transversalement à la chambre de combustion. Le lit 19 peut être en toute matière réfractaire ne réagissant sensiblement pas avec les gaz

de combustion dans la plage prévue de températures des gaz. Le lit 19 doit aussi être suffisamment poreux pour que

les gaz de combustion le traversent sans perte de charge

ou entraînement notable. Par exemple, le lit 19 peut être en matière réfractaire telle que le carbure de silicium

ou l'alumine, sous forme de granulés, de morceaux, de billes ou sous autres formes, de. manière que le lit ait une po-

formé d'agrégats de carbure de silicium dont la dimension moyenne est de l'ordre de 6 mm sur 13 mm, ces agrégats étant simplement disposés les uns sur les autres de façon aléatoire.

Le support 18 peut être en un seul morceau ou, dans le cas d'ensembles de grande dimension, il peut comprendre plusieurs organes comme représenté sur la figure 1. Chaque support 18 comprend des parois latérales et d'extrémité 20 et 21 et un fond 23 destiné à retenir la matière 19. Le fond 23 comporte des perforations 24 permettant le passage des gaz mais retenant la matière 19. Bien que les perforations puissent avoir toute configuration convenable, on les a représentées sous forme de fentes relativement courtes et rapprochées 24. L'ensemble 17 peut être supporté dans la chaudière 10 de toute manière convenable, par exemple par des tubes 26 d'eau disposés longitudinalement de part et d'autre de la chambre de combustion et qui peuvent être inclinés vers le

convenable 27 peut être placée entre les tubes 26 et les

Les parois 21 comprennent plusieurs cavités

courbes 30 destinées au support de plusieurs tubes allongés
31 de répartition de gaz. Ces cavités maintiennent les

tubes 31 au contact de la* partie supérieure du lit 19.

Les tubes 31 ont pour rôle de répartir l'oxygène ou un

gaz en contenant, par exemple de l'air, à la partie supérieure du lit 19. A cet effet,les tubes 31 peuvent être en-'toute matière réfractaire convenable pouvant être perforée ou rendue poreuse. Par exemple, un réfractaire poreux tel que le carbure de silicium ou l'alumine, ou un tube métallique perforé, par exemple en acier inoxydable, convient L'extrémité avant de chaque tube 31 est avantageusement associée à un collecteur 32 lui-même relié à une réserve de gaz contenant de l'oxygène, par exemple d'air.

Plusieurs organes réfractaires distants 34 destinés a dévier le gaz: sont avantageusement disposés parallèlement

ceau ou en plusieurs morceaux bout à bout, de manière qu'ils aient la même longueur que les tubes 31. Comme représenté sur la figure 3, un organe 34 est disposé au-dessus des tubes 31, et entre deux tubes adjacents. De plus, les organes 34 ont une section verticale comportant une sur-face courbe 35 tournée vers les tubes 31 adjacents et distante de ceux-ci de manière qu'il reste un espace

36 entre eux. Un organe 37 destiné à dévier le gaz est

<EMI ID=19.1> figuration correspondant sensiblement à la moitié de celle des organes 34, de manière qu'un espace analogue 36 destiné à diriger le gaz soit disposé sur chacun des côtés.

Les organes 34 et 37 peuvent être en toute matière réfractaire convenable, par exemple en carbure de silicium.

Comme décrit en détail dans la.suite, les espaces 36 coinpris entre les tubes 31 et entre les tubes et les organes

34 et 37 forment une zone de combustion secondaire. L'espace laissé en-dessous des tubes 31 constitue une zone

38 de combustion primaire..

En pratique, on s'efforce habituellement de mélanger 'aux combustibles une quantité d'air suffisante pour que les.constituants combustibles soient totalement oxydés et qu'il se forme si possible des gaz de combustion contenant un pourcentage élevé de C02 et faible en'hydrocarbures non brûlés et en CO. Dans ces conditions de combustion, des quantités notables d'oxydes d'azote polluants se forment aussi du fait que.l'azote et l'oxygène de L'air de combustion se combinent à la température élevée qui règne. On constate qu'une quantité importante d'oxyde

et de CO, à des températures qui dépassent environ 1370[deg.]C. Dans les conditions classiques de combustion, on introduit habituellement un excès d'air pour assurer que l'oxygène

est disponible au moins en quantité stoechiométrique pour l'oxydation du carbone, de l'hydrogène et des autres éléments combustibles, dans tous les points de la zone de combustion. L'oxygène en excès, en particulier l'oxygène atomique,

élevées.

Selon l'invention, la combustion est réglée dans la zone 38 de manière qu'il reste des hydrocarbures non brûlés et/ou que la quantité d'oxygène atomique soit insuffisante. Comme la réaction entre le carbone et l'oxygène a lieu de préférence à celle entre l'oxygène et l'azote, la présence d'hydrocarbures non brûlés inhibe la formation de INOX. A cet effet, la combustion dans la zone 38 est réglée de manière bien connue, par exemple par réglage du rapport combustible-air.

Comme représenté sur les figures 1 et 2, le courant des produits gazeux de combustion, identifié par

19. Ces gaz contiennent une quantité notable d'hydrocarbures non brûlas, de CO et d'oxydes d'azote. Dans le lit, les

mis en oeuvre, on constate qu'une quantité de 2000 ppm de CO donne satisfaction.

Le lit 19,peut aussi comprendre un catalyseur

cen tration optimale du catalyseur dans le lit 19,varie

en fonction des concentrations des divers gaz dans le courant des gaz de combustion, dans un exemple, le catalyseur est sous forme de bandes métalliques ayant une longueur de plusieurs centimètres, une largeur de 3 mm

et une épaisseur d'environ 0,4 mm. Le catalyseur est dispersé dans un lit de carbure de silicium SiC de 9 cm d'épaisseur. Evidemment, l'épaisseur du lit et la quantité de catalyseur dépendent du débit de gaz et diffèrent

d'un cas à l'autre. Des catalyseurs qui conviennent sont le fer, le nickel, le chrome, le cuivre et le platine, sous forme de composés, d'alliages ou de mélanges. Cette liste

<EMI ID=27.1> l'exemple cité, les bandes de métal catalytique sont en

catalyseur car il contient du fer, du nickel et du

chrome au moins. Les catalyseurs peuvent être aussi fondus ou dissous dans le carbure de silicium ou un autre réfractaire qui constitue le lit 19. Certaines qualités de SiC peuvent contenir des impuretés qui jouent le rôle

de catalyseur. Le catalyseur peut être aussi déposé par pulvérisation,par métallisation .ou autrement, à la surface des réfractaires du lit. Dans tous les cas, le

but de l'opération est la dispersion des gaz de combustion dans le lit et le contact intime entre les gaz et l'agent catalytique le cas échéant.

Les gaz de combustion qui quittent le lit 19 com-

que d'hydrocarbures non brûlés. CO résiduel, qui n'a pas

zone 36 entre les tubes 31 et les organes 34. De plus, l'air secondaire, qui pénètre dans la zone 36 par les tubes 31, provoque une oxydation totale des hydrocarbures

coopération des tubes 31 et du lit 19 assure un mélange convenable de l'air de combustion et-des gaz passant dans le lit 19. Comme l'azote de l'air peut'être transformé.'

la température dans la zone 36 est maintenue au-dessous de 1.370[deg.]C. La température de la zone 36 dépend de l'irradiation de chaleur par celle-ci ainsi que de- la température et de la quantité d'air évacuée par les tuyauteries

31. Ces facteurs sont commandés de manière que la température dans la zone 36 soit maintenue au-des sous de la <EMI ID=33.1>

L'irradiation thermique du lit 19 est favorisée par exposition aux surfaces absorbantes de chaleur présentées par les tubes d'eau 13.

Le dispositif destiné.à assurer la réaction entre les hydrocarbures et la matière carbonée non brûlée ainsi

<EMI ID=34.1> condaire assurant l'oxydation des hydrocarbures, de la matière carbonée et de CO en C02, peut être réalisé de sorte qu'il permette éventuellement l'élimination du lit de matières réfractaires. Par exemple, le lit 19 d'agrégats réfractaires peut être remplacé par une éponge métallique à cellules ouvertes, un feutre de matière filamentaire métallique ou réfractaire permettant la transmission des gaz ou un réfractaire poreux monolithique assurant la dispersion des gaz de combustion et la réaction de CO, des hydrocarbures non brûlés et/ou de la matière

lyseur peut être déposé sur la matière formant le feutre, l'éponge ou le réfractaire poreux, ou il peut être incorporé à cette matière. Une chambre réfractaire peut assurer l'oxydation par l'air secondaire de CO et des hydrocarbures non brûlés en C02 et de l'eau peut être introduite à distance du feutre ou de l'éponge de manière que ces éléments^, ne soient pas surchauffés.

. - Comme décrit, l'emplacement, la configuration et la température de travail du dispositif purificateur de gaz de combustion de l'invention d'un appareil particulier de combustion dépendent d'un certain nombre de paramètres, notamment des vitesses de-combustions primaire et secondaire, de la quantité de gaz chauds à traiter, de la température des gaz de combustion primaire et de l'irradiation tolérable à partir du dispositif lui-même. Dans tous les cas, il.est souhaitable que le gaz reste dans le lit 19 et la chambre 36 pendant une période suffisamment longue pour que

lit et dans la zone de combustion secondaire. Le temps de séjour des gaz dans le lit 19 dépend de l'épaisseur, de la porosité et de l'emplacement de ce lit, ainsi que de la vitesse de réaction et de la température.

La quantité d'air injectée dans la seconde étape de combustion dépend.des hydrocarbures non brûlés provenant de la zone 38 et disponibles pour- la combustion dans la

<EMI ID=38.1> condaire nécessaire est de l'ordre de 10 % de la quantité stoechiométrique d'air nécessaire à .la combustion totale du combustible. En d'autres termes, 90 % de la totalité de l'air nécessaire à une combustion totale sont utilisés dans l'étage primaire et les 10 % restants sont injectés dans l'étage secondaire, de manière qu'ils transforment

une quantité d'air supérieure à la quantité stoechiométrique nécessaire, car l'oxygène de l'air ne se mélange pas en totalité de façon suffisamment poussée avec les gaz de combustion secondaire pour que l'oxydation soit totale.

On va maintenant décrire l'efficacité de l'invention

cas, le dispositif 50 de combustion comprend une chambre
51 délimitée par une enceinte métallique 52 munie d'un

cheminée,54 d'évacuation est associée à l'extrémité supérieure. Un lit 57 dé dispersion de gaz est placé entre les extrémités de la chambre 51 et comprend un support réfractaire

58 destiné à contenir des agrégats réfractaires. 60 en

comprend plusieurs orifices convenables 61 permettant le passage des gaz.

De l'air secondaire de combustion peut être introduit par une tuyauterie réfractaire poreuse 62 placée au-dessous de la face supérieure du lit 62.

Dans l'appareil expérimental, on brûle un fuel oil n[deg.] 2 avec une quantité d'air inférieure à la quantité stoechiométrique. On mesure les teneurs en oxyde de carbone, en gaz carbonique et en oxygène, au-dessus et au-dessous

du lit 57, et on mesure aussi les teneurs en NOx auxpointsA à K et 0, et la température aux points A à L, comme représenté sur la figure 4. On note aussi les indices de Bacharach qui est- une mesure de la concentration en suie, au-dessus et au-dessous du lit 57. On obtient les résultats qui suivent.

d'évacuation est de l'ordre de 70 ppm. Un tel chiffre est satisfaisant en ce qui concerne les normes de lutte contre la pollution, qui permettent des teneurs de l'ordre de 100

est maintenue dans les limites acceptables, sans détection d'oxyde de carbone.

Les figures 5 et 6 représentent une chaudière selon un second mode de réalisation préféré du dispositif de réduction de teneur en polluants de l'invention. La chaudière comprend un boîtier 210 dans lequel un réservoir

est relié à un réservoir 212 d'eau d'alimentation placé à

d'eau. Les tubes ont des plaques 214 -soudées entre eux de manière que la surface d'absorption de chaleur soit agrandie et que les gaz suivent un trajet prédétermine.

Les tubes 213 placés de l'autre côté de la chaudière sont aussi disposés entre le réservoir supérieur 211 et le réservoir inférieur 212. Ces tubes et ces réservoirs délimitent un espace dans lequel la chaleur est absorbée par radiation à partir des dispositifs de combustion et des gaz chauds qui circulent dans la chaudière. Enfin,

les gaz de combustion atteignent un raccord 215 à partir duquel des gaz passent dans une cheminée non représentée et sont évacués dans l'atmosphère.

La chaudière comprend une chambre 220 de combustion primaire formée d'une enveloppe réfractaire cylindrique 221 qui se poursuit par un prolongement conique
222 et qui délimite un volume interne 224 qui forme la zone de combustion primaire dans ce mode de réalisation.

Le combustible est injecté par une buse 225 comportant une -tuyauterie 226 revenant à un bloc 227 formant_ brûleur et comportant un raccord 228 et'une canalisation de combustible. La buse 225 est supportée par la tuyauterie
226 au centre, dans un élément cylindrique creux 229 qui comporte plusieurs orifices 230 constituant un diffuseur d'air destiné à la combustion dans la zone primaire 224.

Un moteur 231 est supporté à l'avant de la chaudière et son arbre 232 porte un ventilateur 233. De manière classique, la rotation du ventilateur 233 provoque la création d'air sous pression dans un compartiment 234.

L'air sous pression parvient à la fois à la zone primaire
224 et à la zone secondaire 261 et, dans certaines variantes de ce mode de.réalisation, dans une zone de combustion tertiaire non représentée, comme décrit en détail dans la suite.

Sur les dessins, un conduit principal 235 dirige .l'air de combustion dans deux conduits qui se subdivisent, un conduit 241 d'air primaire et un conduit 240 d'air secondaire. Le conduit 241 comprend un registre 246 destiné
-à-tourner sur un arbre 247. Le registre 246 peut être tourné et régule alors le débit d'air parvenant par le conduit 241.. L'arbre 247 est entraîné'par un moteur 239 comme indiqué en traits interrompus en 238. Le moteur 239 entraine aussi, corame l'indique la ligne 238' en traits interrompes, une

vanne de combustible non représentée. Un dispositif classique non représenté assure 1 ' entraînement du moteur 239 dans

les deux sens, ce moteur commandant le registre 246 et

le débit d'air primaire en fonction de paramètres de travail de la chaudière, notamment de la vapeur d'eau ou de l'eau

et la came 236 fonctionnent de façon coordonnée de manière à maintenir un rapport voulu combustible-air dans la zone
224, dans toute la plage des conditions de travail de la chaudière . Selon l'invention, la zone 224 reçoit une quantité d'air inférieure à celle qui permet la combustion totale .

En général, 75 à 80 % environ de l'air fourni

le reste parvient dans le dispositif 242 qui est placé dans une zone secondaire 261. Le conduit 241 parvient à

un compartiment 243 à partir duquel l'air passe par les orifices 230 du diffuseur dans la zone 224 où l'air assure la combustion incomplète du combustible injecté par

la buse 225, selon.l' invention, car le rapport combustible-

des conditions de fonctionnement de la chaudière!

Le conduit 240 a uri registre 244 qui tourne sur

uri moteur 249 en fonction d'un paramètre, par exemple à teneur en CO dans la cheminée 215 partant de la chaudière. Le moteur 249 est commandé par un dispositif asservi 250 qui est lui-même sensible à la teneur en CO dans la cheminée, transmis par un détecteur convenable 251. Les variations de la teneur en CO provoquent la variation du débit d'air transmis au dispositif 242 par le conduit 240 sous la commande du registre 244.

<EMI ID=55.1> grand ouvert lors du démarrage de la chaudière. En conséquence, la combustion dans la zone 261 des matières solides

T

Le registre 244 peut alors être fermé progressivement jusqu'à la détection de la présence de CO dans les gaz de cheminée. Le système fonctionne alors-automatiquement

ou à une valeur inférieure à une valeur minimale prédéterminée, par commande du débit d'air secondaire, grâce à la régulation par le registre 244. Le débit d'air primaire, lors

du fonctionnement normal de la chaudière, est réglé en fonction du rapport combustible-air convenable, suivant

la charge thermique de la chaudière ou d'autres paramètres.

La quantité totale d'air fournie dans les zones primaire et secondaire est en général légèrement supérieure

à la quantité stoechiomé trique nécessaire à la combustion totale des constituants combustibles, mais il faut noter.

satisfaites dans la zone 224, selon l'invention, car la température dans la zone primaire dans ces conditions peut atteindre 1480[deg.]C et peut provoquer la production d'une

à éviter -selon l'invention. Selon celle-ci, la chaudière fonctionne de manière que les gaz dans la zone primaire soient maintenus à une température inférieure à 1480[deg.]C,

si bien que les produits formés sont seulement partiellement oxydés.

Dans une variante du second mode de réalisation, un registre principal non représenté est monté dans un

Ce registre peut.être commandé par un moteur-239 qui entraine aussi une came 236 de commande de. combustible et

un registre 246 en fonction de la charge de la chaudière, comme dans le mode de réalisation représenté. Le registre
245 de petite dimension qui commande l'air secondaire assure un réglage fin en fonction de la teneur en CO des gaz de cheminée. La commande de la composition'des produits de combustion peut aussi être assurée dans une autre variante ..

par un ventilateur principal non représenté placé dans

le conduit 235 et la came 236 commandée par un moteur 239 en fonction de la charge de la chaudière, le registre primaire 246 du conduit 241 et le registre secondaire 245

du conduit 240 étant commandés tous deux en fonction du moteur 249 commandé en fonction de la teneur en CO.

On se réfère maintenant aux figures 5, 7 et 8 qui décrivent'de façon détaillée le dispositif 242 de-combustion secondaire. Comme décrit précédemment, ce dispositif est placé dans une zone 261 de combustion secondaire à la sortie de la chambre 220, si bien que tous les gaz

de combustion doivent passer dans ce dispositif 242 ou

à son voisinage. Le dispositif 242 comprend essentiellement deux rangées parallèles de tubes perforés, les tubes d'une rangée portant la référence 254 et ceux de l'autre la référence'253. Le rôle des tubes est de diffuser ou d'injecter de l'air de combustion secondaire de façon uniformedans le courant des gaz de combustion provenant de la chambre 220, de manière que le mélange soit favorisé et que la combustion soit complète, sans que la quantité d'air secondaire soit excessive. Ainsi, dans ce mode de réalisation, un tube 254 comprend deux rangées longitudinales de petits trous 255-et 256 par lesquels l'air peut passer dans le courant des gaz de combustion. Dans ce cas, les tubes sont

empêche le dégagement de l'air non dispersé aux extrémités des tubes, dans le courant gazeux. Les extrémités inférieures des tubes sont aussi associées à un distributeur 259, mais les extrémités inférieures des tubes communiquent avec le conduit 240 qui est sous la commande d'un petit registre
244. L'air quittant les tubes 253 et 254 par les rangées .de petits trous 255 et 156 assure la combustion de CO et des imbrûlés, par exemple des hydrocarbures provenant de 'la chambre de combustion primaire. Ces tubes sont montés dans un support 260 qui maintient la position dans le courant des gaz. La température dans la zone secondaire dépend de
-la température et de la quantité d'air fourni par les tubes -
253 et 254 ainsi que de l'irradiation thermique de cette' zone. Les tubes de la chaudière auxquels le dispositif
242 est exposé assurent le maintien de la température

à une valeur, suffisamment faible pour que l'azote du carburant de l'air de combustion soit oxydé de façon minimale en oxydes d'azote. Dans ce mode-de réaliaation, les tubes 253 et 254 peuvent être en réfractaire convenable ou en acier inoxydable ou en toute autre matière qui convient et qui ne se dégrade pas aux température qui règnent.

manière qu'il puisse irradier la chaleur vers les tubes

de la chaudière, si bien que l'air de combustion secondaire circulant dans les tubes perforés n'est pas notablement préchauffé avant son introduction.

Sur la figure 8, les rangées de trous 255 et 256 sont distantes circonf érentiell ement, de manière à recouvrir

moins, dans le cadre de l'invention. Cependant, un angle de
120[deg.] est 'souhaitable car il favorise la turbulence et

le mélange de l'air injecté des gaz de combustion, si bien que la combustion totale est favorisée. Avec un.tel angle, la turbulence et un mélange soigneux sont assurés car l'air émis par les petits trous au voisinage du point où le courant gazeux circule le long des tubes commence à

se séparer de ceux-ci en formant des tourbillons.

Les tubes perforés 253 et 254 peuvent être remplacés par divers dispositifs creux de dispersion d'air. Par exemple, le dispositif peut être en céramique, en autres réfractaires ou en métal fritté, perforé ou poreux, partiellement ou en totalité à la périphérie. Le dispositif peut aussi comprendre des fentes étroites et continues, disposées longitudinalement et interrompues et destinées

à l'émission d'air, à la place de petits trous ou pores. Les tubes peuvent être en toute matière qui résiste aux conditions régnant au voisinage du__dispositif 242. Une. rangée peut aussi comprendre un nombre de tubes variable, et le nombre de rangées peut être différent de deux, en

T

fonction de l'application.

Les figures 9 à 11 représentent une variante du dispositif de combustion secondaire, Dans ce mode de réalisation, un dispositif maintient les tubes qui émettent de l'air à une faible température, et refroidit ou au moins empêche le préchauffage de l'air secondaire introduit.

Sur la figure 9, le dispositif porte la référence
270 et comprend un châssis 271 supportant un distributeur
272 d'eau d'alimentation et un distributeur 273 d'évacuation d'eau. Au-dessous du distributeur 272 est placé

un distributeur 274 d'alimentation en air secondaire relié au conduit 240 qui est sous la commande d'un registre
244. Comme le montre la figure 10, dans ce mode de réalisation, deux rangées de tubes chassant de l'air et refroidis par de l'eau portent les références 275 et 276,

à l'arrière et à l'avant respectivement. Comme dans l'exemple précédent, le nombre de tubes de chaque rangée . ainsi que leur dimension et leur disposition dépendent

des quantités de gaz traitées en fonction de la dimension de la chaudière.

On va décrire un des tubes 275, bien qu'ils puissent tous être semblables. Sur la figure 9, le tube 275 comprend un tube central 280 destiné à conduire l'air secondaire

et ^comportant deux rangées longitudinales de petits trous
281 et 282 par lesquels peut passer l'air secondaire qui pénètre dans le courant des gaz de combustion. Comme le montre la courbe du tube 275 sur la figure 11, les rangées

creuses 283, 284 qui divergent et qui sont disposées longitudinalement. Les deux saillies ont la même forme. Par exemple, la saillie 284 est disposée radialement par rapport au tube 280 et a sa fente longitudinale ouverte
285 destinée au passage de l'air secondaire émis par les trous 282 vers le courant des gaz de combustion entourant

des saillies sont coupés en biais, de manière que les fentes
285 débouchent sensiblement sous le vent des gaz' de com- bustion.

Dans cet exemple, le tube central est fermé à son extrémité supérieure 286 de manière que tout l'air secondaire passe par les trous 281 et 282'. Les extrémités inférieures des tubes 280 sont associées au distributeur

Le tube interne est entouré par un tube concentrique externe 287 qui délimite une chemise 289 de circulation d'eau autour du tube interne. L'eau circule axialement dans la chemise entre les saillies 283 et 284. Cette circulation est due à la liaison d'extrémité inférieure
288 du tube 287 avec le distributeur 272 d'alimentation, comme représenté sur la figure 9, dans la partie inférieure arrachée. Les tubes internes et externes sont soudés ou associés de façon étanche d'une autre manière à l'emplacement où ils pénètrent dans les distributeurs ou

à s'écouler par une cavité 290 et un trou 291 de manière qu'elle pénètre dans le distributeur 273. Evidemment, le tube 280 peut être disposé sur toute la longueur du distributeur 273, vers un autre distributeur d'air se-

est disposé de manière à alimenter les tubes 280 par le haut et non pas par le bas, ou même deux distributeurs indépendants d'air peuvent alimenter des tubes par le haut et par le bas. La disposition retenue dépend de la quantité des produits gazeux de combustion à brûler, et du respect de la condition selon laquelle la combustion secondaire

'forme.pas.

Sur la figure 11, un filament gazeux est repéré par la flèche 295. Il faut noter que le courant est dévié de- la périphérie du tube 287 et forme un-angle -Gel_que le.. courant recoupe le courant d'air secondaire sortant des fentes 283, 284, si bien que la turbulence est maximale.

<EMI ID=75.1> L'oxydation des hydrocarbures résiduels, de l'oxyde de carbone et des matières combustibles des gaz de combustion provenant de la chambre 220 est donc favorisée. Comme

les tubes sont refroidis par de l'eau, non seulement leur dégradation thermique est évitée, mais les produits de combustion sont préalablement refroidis à une température nettement inférieure à 14800C à laquelle les oxydes d'azote peuvent se former. Il est aussi souhaitable que le dispositif de combustion secondaire soit disposé, par rapport aux surfaces d'absorption thermique de la chaudière, de manière que le dispositif soit refroidi par radiation vers les surfaces environnantes . L'existence d'une teneur relativement élevée de CO dans les gaz de combustion

tend aussi à empêcher la formation dès oxydes d'azote, car l'air.réagit préférentiellement avec l'oxyde de carbone plutôt qu'avec l'azote de l'air ou du combustible.

Dans les exemples décrits du second mode de .; réalisation, il existe des zones de combustion primaire et secondaire. Par exemple, dans le dispositif 242

des figures 5, 7 et 8, les rangées d'éléments 253 et 254 sont toutes deux alimentées par le même conduit 240, et dans ce cas il existe en réalité une seule zone-de combustion secondaire -près du dispositif 242. De manière

les tubes tels que 280 sont tous associés à un distributeur commun 274 alimenté par le conduit 240, et dans ce cas, tous les tubes fournissent de l'air à une région unique

de combustion secondaire. Bien qu'on n'ait pas représenté une disposition particulière, les spécialistes peuvent facilement disposer une zone de combustion tertiaire, d'après la description qui précède. Par exemple, das ran-

reliées à une alimentation en air secondaire. L'autre rangée 253 ou 276 peut alors être reliée à une troisième alimentation d'air sous pression, non représentée. Ainsi, il
-se forme des zones de combustion primaire , secondaire et tertiaire. La zone placée en amont des. rangées de tubes 253 ou 276 devient la zone secondaire et la zone placée en
11 avant des rangées de tubes 254 ou 275 devient la zone de combustion tertiaire. Avec une telle disposition, les

gaz de combustion riches en CO et en hydrocarbures imbrûlés, en provenance de la chambre 220, sont brûles dans deux étages supplémentaires, dans les zones de combustion secondaire et tertiaire, si bien que la probabilité d'élévation de la température .du gaz au-dessus de la valeur

réduite. Avec une telle disposition, les tubes sont facilement maintenus à basse température, car la flamme qui

entoure chacune des rangées n'est pas très intense.

Lors du fonctionnement de l'appareil du second

mode de réalisation, les variations de la teneur en CO

des gaz effluents sont détectées et utilisées pour la commande du petit registre 244 du conduit 240. Si la

teneur en CO dans la cheminée augmente, l'air secondaire

a un débit accru, par ouverture automatique du registre

244 et dans ce cas les produits de combustion de la zone primaire sont efficacement oxydés dans la zone socon-

daire, si.bien que la teneur en CO diminue. Une réduction

de la teneur en CO des gaz de cheminée provoque une

action inverse. Le rôle du dispositif est d'assurer l'oxydation des gaz passant dans le dispositif de combustion secondaire tout en rendant minimale l'intensité de la flamme dans la région où la température ne doit pas atteindre

une valeur telle que les oxydes d'azote peuvent se former.

Habituellement, la teneur en CO des gaz de cheminée atteint une valeur constante tant que la charge de la chaudière

est sensiblemqnt cons tante. Cependant, si la charge augmente ou diminue, le combustible et l'air destinés à la zone

de combustion primaire ont des variations en conséquence

et dans ce cas la teneur en CO des gaz de- cheminée peut .varier et commande alors un réglage automatique de l'air secondaire,

Bien qu'on ait décrit le dispositif de purification <EMI ID=79.1> ou à eau chaude, il faut noter que les spécialistes peuvent adapter le dispositif et-ses modes de fonctionnement à di-

T

vers appareils qui brûlent un combustible ou dans lesquels

a lieu une réaction, par exemple dans les fours industriels ou domestiques et dans les dispositifs de chauffage, les chauffe-eau, les incinérateurs, les chaudières de chauffage et de puissance, ainsi que d'autres appareils de combustion qui consomment des combustibles hydrocarbonés ou carbonés liquides ou gazeux.

Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims

RESUME

L'invention concerne :

A. Un appareil.de combustion-destiné à réduire la

quantité des oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement, caractérisé par les points suivants considérés

isolément ou en combinaisons diverses techniquement possibles :

1. Il comprend un dispositif délimitant une première

zone de combustion destinée à recevoir un combustible, '

ayant une entrée d'air de combustion primaire et une sortie

de produits gazeux de combustion, et comprenant un dispositif <EMI ID=80.1>

tité stoechiométrique nécessaire à la combustion totale - à une température et dans des conditions telles que

les produits de la combustion contiennent des quantités notables d'oxyde de carbone et d'hydrocarbures non brûlés, et

un dispositif délimitant au moins une seconde zone de com-

<EMI ID=81.1>

les produits gazeux de combustion, de,manière que les produits combustibles résiduels soient oxydés avant décharge.

2. 'Il comprend de plus un dispositif placé dans la première zone et destiné à faire réagir les hydrocarbures imbrûlés et les oxydes d'azote de manière qu'il se forme

une matière carbonée et des hydrocarbures imbrûlés, du gaz carbonique, de l'azote et de l'oxyde de carbone résiduel,

3. Il comprend un dispositif destiné à maintenir dans

la chambre de combustion-secondaire la température à moins

<EMI ID=82.1>

4; Le premier dispositif comprend un dispositif de dispersion de gaz par lequel passent les gaz de combustion.

5. 'Le dispositif de dispersion de gaz comprend une

matière réfractaire poreuse.

6. La matière réfractaire est de l'alumine ou du

carbure de silicium, tel que des fragments formant un lit

poreux.

7. La matière comprend un catalyseur tel que le fer, le nickel, le chrome, le cuivre, le platine ou leurs alliages, favorisant la réaction des oxydes d'azote avec les matières carbonées et les hydrocarbures non brûlés. 8. Le dispositif d'introduction d'oxygène du second étage comprend des tubes poreux en matière réfractaire telle que le carbure de silicium.

9. Le dispositif de dispersion de gaz comprend une couche poreuse de matière catalytique, telle que le fer,

le nickel, le chrome, le cuivre, le platiné ou un de leurs alliages.

10. Il comprend de plus un dispositif de combustion placé dans la zone de combustion secondaire dans laquelle passent les gaz chauds de combustion provenant de la zone primaire, ledit dispositif comprenant une alimentation en gaz supportant la combustion, destinée à être reliée à une réserve d'un tel gaz et dispersant le gaz de support de combustion dans plusieurs régions du 'courant des gaz de combustion, de manière que las produits résiduels soient oxydés à une température inférieure aux températures pour lesquelles se forment des quantités notables d'oxydes

<EMI ID=83.1>

fractaire dans les conditions régnant dans la zone de combustion secondaire, le gaz passant dans les pores de la matière.

12. L'alimentation comprend plusieurs tubes métalliques ou en matière réfractaire dans lesquels des orifices de dispersion sont disposés essentiellement du côté /aval.

13. L'alimentation comprend des éléments tubulaires internes destinés à être reliés 'à une réserve de gaz de support de combustion et comportant des orifices dans

leurs parois,.un élément tubulaire externe entourant chaque

<EMI ID=84.1>

d'écoulement de fluide de refroidissement, un dispositif creux séparant de manière étanche les orifices de l'espace lais.sé au fluide de refroidissdment, de manière qu'il per-pette le passage du gaz de support de combustion des tubes

-internés au courant de gaz 'de combustion, et un dispositif <EMI ID=85.1> de fluide de refroidissement.

<EMI ID=86.1> prend plusieurs tubes distants ayant chacun un tube interne comportant au moins deux éléments munis de passages disposés radialement et communiquant avec l'intérieur du tube interne à une extrémité et avec la zone de combustion secondaire à l'autre extrémité si bien que le gaz de support de combustion peut pénétrer dans cette zone, et un tube externe entourant le tube interne, les passages traversant le tube externe de manière étanche, les tubes interne et externe délimitant un espace pour un fluide de refroidissement.

15. Les passages sont allongés et pratiquement coaxiaux aux tubes, les extrémités éloignées d'évacuation

de gaz étant dirigées sensiblement vers l'aval du courant des gaz de combustion.

16. Les passages forment un angle d'environ 120[deg.] les uns avec les autres et sont disposés vers l'aval des tubes .

<EMI ID=87.1>

comprenant la direction d'écoulement des gaz de combustion et le centre des tubes.

17.. ' Il comprend plusieurs tubes séparés les uns des autres en direction sensiblement transversale à la direction d'écoulement des gaz de combustion qui peuvent circuler

<EMI ID=88.1>

deux ensembles dont l'un est disposé en aval de 1,' autre.

18. Il comprend un distributeur reliant une -'réserve

de gaz à l'alimentation.

19:. L'alimentation de gaz de support de combustion comprend un élément creux comportant des orifices de dispersion du gaz dans le.courant de gaz de combustion, et

un dispositif associé délimitant un espace de circulation de fluide de refroidissement, en échange thermique avec

le dispositif creux.

20. Le dispositif qui délimite un espace pour un fluide de refroidissement comprend un tube entourant le dispositif creux et comportant des orifices, ceux du dispositif creux communiquant avec -ceux du tube- de manière à former-un pas--. sage du dispositif creux au courant de gaz de combustion. 21 . Le dispositif creux-comprend des buses dispersant

I le gaz de support de combustion, les extrémités de sortie

des buses étant dirigées notamment vers l'aval.

22. Le dispositif creux est formé de tubes allongés comportant des buses, des tubes entourant le dispositif

creux et les buses et assurant l'étanchéité avec les dispositifs environnants.

23. Les buses divergent en faisant un angle de l'ordre de 120[deg.], en étant notamment tournées vers l'aval et également distantes d'un plan tourné vers l'aval.

24. Il comprend un distributeur destiné à recevoir le

gaz de support de combustion, et associé au dispositif creux.

25. Il comprend un premier distributeur destiné à re-cevoir du gaz de support de combustion et un second distributeur destiné à recevoir du fluide de refroidissement,

le dispositif creux étant relié au premier distributeur et

le dispositif délimitant l'espace de fluide de refroidissement étant relié indépendamment au second distributeur.:-.

26. Le dispositif creux comprend un premier tube,

le dispositif délimitant l'espace de refroidissement comprend un second' tube entourant le premier, les distributeurs d'entrée et de sortie de fluide de refroidissement étant placés sensiblement dans le même plan que le second tube et leurs extrémités opposées étant_reliées aux distributeurs d'entrée et de sortie, un distributeur étant destiné à conduire le gaz de support de la combustion, le premier tube traversant de façon étanche le distributeur d'entrée ou de sortie et

étant relié au distributeur de gaz.

27. Il comprend une première commande de débit destinée au passage du gaz vers la zone de combustion primaire, une seconde commande de débit destinée au passage du gaz vers

la zone de combustion secondaire, et un détecteur de la teneur d'au moins l'un des produits gazeux de combustion en

aval du dispositif de combustion secondaire, le détecteur étant' relié à la .seconde commande et étant commandé par la teneur en . au moins un produit gazeux de combustion et commandant la seconde commande qui règle le débit de gaz de support de combustion transmis à la zone secondaire.

28.. Le détecteur détecte la teneur en oxyde de carbone" 29. Il comprend une commande de combustible et un dispositif réglant le débit de combustible en fonction du réglage du gaz de support de combustion introduit dans la zone de combustion primaire, en fonction de la charge thermique de l'appareil.

30. La commande de combustible est reliée à la première commande dé débit et est destinée à régler simultanément

le gaz de support de combustion et le combustible fournis

à la zone de combustion primaire, de manière que le rapport voulu du gaz au combustible soit maintenu.

31. Il comprend un trajet principal d'écoulement gazeux de la réserve de gaz de support de combustion aux deux commandes, et un dispositif modifiant le débit dans le trajet principal de manière que les débits dans les deux commandes varient.

32. Le dispositif de combustion secondaire comprend plusieurs dispositifs allongés et creux, notamment en ma-

<EMI ID=89.1>

<EMI ID=90.1>

persion du gaz de support de combustion dans le courant de gaz de combustion circulant dans la zone de combustion secondaire, le dispositif creux recevant du gaz de l'une des commandes.

<EMI ID=91.1>

plusieurs éléments tubulaires ayant des orifices Longitudinaux de dispersion du gaz de support de combustion dans les produits gazeux de combustion dans la zone de combustion secondaire, les éléments tubulaires étant associés à l'une des commandes de débit.

34. Les éléments tubulaires ont leurs orifices disposés vers l'aval par rapport au courant de gaz de combustion.

<EMI ID=92.1>

plusieurs éléments de distribution d'air secondaire comprenant un élément creux ayant plusieurs trous de dispersion d'air de combustion secondaire dans le courant des produits gazeux de combustion, les éléments de distribution étant

<EMI ID=93.1>

un espace d'écoulement de fluide de refroidissement avec

. .l'élément de distribution de gaz.

36. Le dispositif de combustion secondaire comprend

<EMI ID=94.1>

des orifices dans sa paroi et reliés à l'une des commandes

de manière à recevoir du gaz de celle-ci, d'un tube externe entourant le tube interne et délimitant un espace d'écoulement de fluide de refroidissement avec le tube interne, et d'un dispositif comprenant un passage placé entre les orifices

du tube interne, l'espace de fluide de refroidissement

et le tube externe et permettant le passage du gaz de

support de combustion du tube interne à la zone de combustion secondaire.

37. Le passage est allongé et disposé axialement par rapport aux tubes, les divers passages divergeant les uns

par rapport aux autres.

B. Un procédé de réduction de la teneur en oxydes

<EMI ID=95.1>

bustion, caractérisé par les points suivants considérés isolément pu en combinaisons diverses techniquement possibles : -

1. Il comprend la combustion d'un combustible dans

<EMI ID=96.1>

insuffisante pour l'oxydation totale du carbone du combustible, si bien que des gaz de combustion produits contiennent une quantité notable d'hydrocarbures et de matières carbonées non brûlés, et l'introduction d'air supplémentaire

<EMI ID=97.1>

bustion secondaire, une fois que le courant a quitté la première zone de combustion, de manière-que les hydrocarbures et la matière carbonée non brûlés soient oxydés en

gaz carbonique, cette dernière réaction étant maintenue

à une température inférieure aux températures pour lesquelles une quantité notable d'azote - s'oxyde,

2. Il comprend des phases intermédiaires de passage du courant de gaz de combustion de la première zone de com-

<EMI ID=98.1>

transportée, vers un dispositif de purification de gaz de combustion placé dans l'appareil, et la réaction dans ce

t dispositif de purification des hydrocarbures imbrûlés et des oxydes d'azote des gaz de combustion, de manière qu'il se forme- un courant gazeux contenant essentiellement du gaz carbonique, de l'azote et des hydrocarbures résiduels imbrûlés.

3. La température dans la zone de combustion secondaire est inférieure à 1480[deg.]C.

4. La matière carbonée contient de l'oxyde de carbone dont la concentration dépasse 400 ppm.

5. Il'comprend le réglage de la quantité totale de gaz de support de combustion fourni aux zones de combustion primaire et secondaire, de manière que la quantité totale soit sensiblement égale à la quantité stoechiométrique.

6. Il comprend le réglage proportionnel de la quantité totale de-gaz de support de combustion de manière qu'une augmentation ou une réduction de la quantité d'air fourni

<EMI ID=99.1>

réduction ou d'une augmentation respective du débit de gaz de support de combustion fourni à la zone de combustion primaire.-

7. Il comprend le réglage de la quantité de gaz de support de combustion fourni aux zones de combustion en fonction de la teneur en-oxyde de carbone des gaz évacués parla zone de combustion secondaire.

8. Il comprend la commande de la quantité totale de gaz de support de combustion fourni aux zones primaire et secondaire de manière que la quantité totale soit sensiblement égale à la quantité stoechiométrique, le réglage proportionnel-de la quantité totale d'air entre les deux zones de combustion, et la détection de la teneur en oxyde de carbone des gaz d'échappement provenant de la zone secondaire, avec accroissement du débit de gaz de support de combustion fourni à la zone secondaire et réduction du débit de gaz de support de combustion fourni à la zone primaire lorsque la teneur en oxyde de carbone augmente,

-et la-réduction de la quantité de gaz transmis à la zonesecondaire et l'augmentation de la quantité de gaz fourni -' à la zone primaire lorsque la teneur en oxyde de carbone t diminue.

9. Il comprend la détection de la teneur d'un constituant des gaz provenant de la zone de combustion secondaire, et le réglage de la quantité, de gaz de support de combustion en fonction de la teneur en ce constituant.

10. Il comprend la détection de la teneur d'un constituant oxydable des gaz provenant de la zone de combustion secondaire, et le réglage de la quantité de gaz de support de combustion fourni à la zone de combustion secondaire, de manière que cette quantité augmente lorsque la teneur en ce constituant augmente et diminue lorsque cette teneur diminue.

11. Le constituant détecté est l'oxyde de carbone.