CA2813667C - Procede de denitrification des fumees produites par un four de combustion, et installation pour la mise en oeuvre de ce procede - Google Patents
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Abstract
Procédé de dénitrification en phase hétérogène des fumées produites par un four de combustion pour incinérer des déchets ou boues de station d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles, le procédé ayant un rendement d'élimination des oxydes d'azote élevé avec un impact environnemental le plus faible possible. Le combustible est introduit dans une zone de dévolatisation du four, et un agent réducter sous forme vaporisée est injecté dans au moins l'un de l'air de combustion, an amont d'une boîte à vent du four, et le combustible. L'air de combustion est introduit dans la boîte à vent du four positionnée sous la zone de dévolatisation, la boîte à vent étant la seule entrée d'air de combustion. L'injection de l'agent réducteur est régulé en fonction des teneurs mesurées de NOx et/ou d'ammoniac NH3, l'agent réducteur étant un composé chimique de base ammoniaquée NH3 causant une réduction des oxydes d'azote en azote.
Description
PROCEDE DE DENITRIFICATION DES FUMEES PRODUITES PAR UN
FOUR DE COMBUSTION, ET INSTALLATION POUR LA MISE EN UVRE
DE CE PROCEDE.
L'invention est relative à un procédé de dénitrification des fumées produites par un four de combustion, dans lequel un combustible est introduit dans un lit fluidisé ou sur une grille, et de l'air de combustion est injecté
dans le four.
L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un tel procédé de dénitrification des fumées produites par un four d'incinération de déchets ou de boues de stations d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles.
Lors d'une combustion, contrairement aux oxydes de soufre, aux acides, et aux métaux lourds dont les émissions sont intrinsèquement liées à
la teneur du combustible utilisé en soufre, en Cl (chlore), Br (brome), F
(fluor), I
(iode), et en métaux lourds, la quantité d'oxydes d'azote générée est fonction, dans une certaine mesure, du combustible utilisé, mais également des conditions dans lesquelles s'effectue la combustion. Il n'y a donc pas de relation univoque entre les émissions d'oxydes d'azote et le combustible. Tout au plus, quand on dispose d'une bonne connaissance d'un procédé donné (centrale thermique au charbon, fioul lourd, gaz naturel...), on peut formuler un facteur d'émission qui servira, entre autres, de référence de base aux progrès et aux diminutions des émissions d'oxydes d'azote qui pourraient être obtenus par des recherches et des mises au point ultérieures.
La combustion d'un composé hydrocarboné en plus du dioxyde de carbone CO2, d'eau H20, et d'azote N2, s'accompagne donc toujours d'une production d'oxydes d'azote. Ces oxydes sont représentés par le monoxyde d'azote (NO), le protoxyde d'azote (N20), et par une très faible proportion de .. dioxyde d'azote (NO2).
D'un point de vue environnemental et sanitaire, il est important d'en réduire leurs émissions car chacun de ces oxydes d'azote a un impact non négligeable :
- le NO participe au phénomène des pluies acides et à la formation de l'ozone troposphérique ;
- le N20 est un gaz à effet de serre trois cent dix fois plus puissant que le CO2.
Afin de réduire les émissions de NOx, des procédés ont été
développés, notamment les deux procédés suivants :
- un procédé non catalytique opérant à haute température, supérieure à 800 C
FOUR DE COMBUSTION, ET INSTALLATION POUR LA MISE EN UVRE
DE CE PROCEDE.
L'invention est relative à un procédé de dénitrification des fumées produites par un four de combustion, dans lequel un combustible est introduit dans un lit fluidisé ou sur une grille, et de l'air de combustion est injecté
dans le four.
L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, un tel procédé de dénitrification des fumées produites par un four d'incinération de déchets ou de boues de stations d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles.
Lors d'une combustion, contrairement aux oxydes de soufre, aux acides, et aux métaux lourds dont les émissions sont intrinsèquement liées à
la teneur du combustible utilisé en soufre, en Cl (chlore), Br (brome), F
(fluor), I
(iode), et en métaux lourds, la quantité d'oxydes d'azote générée est fonction, dans une certaine mesure, du combustible utilisé, mais également des conditions dans lesquelles s'effectue la combustion. Il n'y a donc pas de relation univoque entre les émissions d'oxydes d'azote et le combustible. Tout au plus, quand on dispose d'une bonne connaissance d'un procédé donné (centrale thermique au charbon, fioul lourd, gaz naturel...), on peut formuler un facteur d'émission qui servira, entre autres, de référence de base aux progrès et aux diminutions des émissions d'oxydes d'azote qui pourraient être obtenus par des recherches et des mises au point ultérieures.
La combustion d'un composé hydrocarboné en plus du dioxyde de carbone CO2, d'eau H20, et d'azote N2, s'accompagne donc toujours d'une production d'oxydes d'azote. Ces oxydes sont représentés par le monoxyde d'azote (NO), le protoxyde d'azote (N20), et par une très faible proportion de .. dioxyde d'azote (NO2).
D'un point de vue environnemental et sanitaire, il est important d'en réduire leurs émissions car chacun de ces oxydes d'azote a un impact non négligeable :
- le NO participe au phénomène des pluies acides et à la formation de l'ozone troposphérique ;
- le N20 est un gaz à effet de serre trois cent dix fois plus puissant que le CO2.
Afin de réduire les émissions de NOx, des procédés ont été
développés, notamment les deux procédés suivants :
- un procédé non catalytique opérant à haute température, supérieure à 800 C
2 dans l'enceinte de combustion, ce procédé étant désigné par le sigle SNCR
(réduction non catalytique sélective) ;
- un procédé catalytique opérant au niveau du traitement des fumées à
moyenne température (300 C-400 C) ou à basse température (180 C-230 C), ce procédé étant désigné par le sigle SCR (réduction catalytique sélective).
Le procédé SCR permet d'abattre de grandes quantités de NOx, mais au prix d'inconvénients économiques et environnementaux majeurs. Le procédé SNCR, plus économique, ne permet pas d'atteindre un rendement d'élimination des oxydes d'azote aussi élevé que le procédé SCR.
L'invention a pour but, surtout, de fournir un procédé de dénitrification des fumées du type procédé SNCR dont le rendement d'élimination des oxydes d'azote soit plus élevé de manière à tendre vers les performances d'un procédé SCR, et de disposer d'un procédé de dénitrification efficace, relativement économique, avec un impact environnemental le plus faible possible.
Problématique actuelle du procédé SNCR
Le procédé SNCR de réduction des oxydes d'azote consiste à
injecter directement dans l'enceinte de combustion l'agent réducteur dans une .. zone où la température des effluents gazeux est de préférence comprise entre 850 C et 1000 C.
En utilisant l'ammoniac comme agent réducteur, les réactions chimiques données ci-après se produisent plus ou moins simultanément. A une température inférieure à 850 C, les réactions sont trop lentes ; à une température supérieure à 1000 C, la réaction secondaire domine avec une hausse d'oxydes d'azote.
Principale réaction :
4N0 + 4NH3 + 02 - 4N2 + 6H20 (réduction) Réaction secondaire non souhaitée :
4NH3 + 502 -> 4N0 + 6H20 (oxydation) La fenêtre de température revêt une importance considérable car, si la température est trop élevée, l'ammoniac est oxydé ce qui entraîne une production d'oxydes d'azote ; si elle est trop basse, le taux de conversion sera trop faible et de l'ammoniac sera observé en aval (fuite d'ammoniac).
La réaction des oxydes d'azote et de l'ammoniac, ou de l'urée, dans
(réduction non catalytique sélective) ;
- un procédé catalytique opérant au niveau du traitement des fumées à
moyenne température (300 C-400 C) ou à basse température (180 C-230 C), ce procédé étant désigné par le sigle SCR (réduction catalytique sélective).
Le procédé SCR permet d'abattre de grandes quantités de NOx, mais au prix d'inconvénients économiques et environnementaux majeurs. Le procédé SNCR, plus économique, ne permet pas d'atteindre un rendement d'élimination des oxydes d'azote aussi élevé que le procédé SCR.
L'invention a pour but, surtout, de fournir un procédé de dénitrification des fumées du type procédé SNCR dont le rendement d'élimination des oxydes d'azote soit plus élevé de manière à tendre vers les performances d'un procédé SCR, et de disposer d'un procédé de dénitrification efficace, relativement économique, avec un impact environnemental le plus faible possible.
Problématique actuelle du procédé SNCR
Le procédé SNCR de réduction des oxydes d'azote consiste à
injecter directement dans l'enceinte de combustion l'agent réducteur dans une .. zone où la température des effluents gazeux est de préférence comprise entre 850 C et 1000 C.
En utilisant l'ammoniac comme agent réducteur, les réactions chimiques données ci-après se produisent plus ou moins simultanément. A une température inférieure à 850 C, les réactions sont trop lentes ; à une température supérieure à 1000 C, la réaction secondaire domine avec une hausse d'oxydes d'azote.
Principale réaction :
4N0 + 4NH3 + 02 - 4N2 + 6H20 (réduction) Réaction secondaire non souhaitée :
4NH3 + 502 -> 4N0 + 6H20 (oxydation) La fenêtre de température revêt une importance considérable car, si la température est trop élevée, l'ammoniac est oxydé ce qui entraîne une production d'oxydes d'azote ; si elle est trop basse, le taux de conversion sera trop faible et de l'ammoniac sera observé en aval (fuite d'ammoniac).
La réaction des oxydes d'azote et de l'ammoniac, ou de l'urée, dans
3 l'eau et l'azote dépend fortement de la température et du temps de séjour dans la plage de température requise. La fenêtre de température pour une solution aqueuse ammoniacale (ammoniaque) se situe entre 800 C et 1100 C, la température optimale étant de 930 01960 C.
A titre de comparaison, la fenêtre de température lorsque l'on utilise de l'urée est plus étroite (entre 850 et 1050 C), la température optimale étant 960 C/980 C.
Une première difficulté du procédé SNCR est donc l'étroitesse de la fenêtre optimale de température.
Une deuxième difficulté consiste à bien mélanger les gaz à traiter avec l'agent réducteur, également appelé réactif.
Pour atteindre un taux élevé de réduction et un faible dégagement de NH3, l'agent réducteur et les oxydes d'azote NOx des fumées doivent être suffisamment mélangés sinon la réaction ne se déroule pas et une partie des oxydes d'azote NOx n'est pas traitée, ou bien l'ammoniac NH3 ne réagit pas. La plupart des problèmes que posent les applications de réduction sélective non catalytique concernent la répartition non uniforme de l'agent réducteur dans la chambre de combustion.
Outre la distribution et le mélange, un autre paramètre important est la taille des gouttes d'un agent réducteur liquide. De petites gouttes s'évaporeraient trop rapidement et réagiraient à des températures trop élevées, ce qui entraînerait une baisse du taux de réduction des oxydes d'azote, tandis que des gouttes plus grosses s'évaporeraient trop lentement et réagiraient à
des températures trop basses, ce qui entraînerait un dégagement d'ammoniac NH3 plus important.
Le choix de l'agent réducteur influence également la formation de sous-produits tels que le protoxyde d'azote (N20). L'utilisation de l'ammoniac et de l'ammoniac caustique produit des quantités négligeables de N20 tandis que des quantités relativement élevées peuvent être mesurées lors de l'injection directe d'urée dans l'enceinte de combustion.
Le temps de séjour dans la plage de température requise varie de 0,2 à 0,5 s. Cette plage de durée de contact est plutôt instable ; c'est la raison pour laquelle le ratio ammoniac/oxydes d'azote doit être riche en ammoniac au lieu d'être stoechiométrique. Là encore, il faut optimiser le ratio molaire NH3/NOx. Le taux d'élimination des NOx est favorisé par un ratio plus élevé, mais le dégagement d'ammoniac augmente aussi, ce qui entraîne une pollution accrue des équipements placés en aval (échangeurs de chaleur, traitement de fumées). Pour neutraliser ces deux effets contraires, le ratio NH3/NOx est limité
A titre de comparaison, la fenêtre de température lorsque l'on utilise de l'urée est plus étroite (entre 850 et 1050 C), la température optimale étant 960 C/980 C.
Une première difficulté du procédé SNCR est donc l'étroitesse de la fenêtre optimale de température.
Une deuxième difficulté consiste à bien mélanger les gaz à traiter avec l'agent réducteur, également appelé réactif.
Pour atteindre un taux élevé de réduction et un faible dégagement de NH3, l'agent réducteur et les oxydes d'azote NOx des fumées doivent être suffisamment mélangés sinon la réaction ne se déroule pas et une partie des oxydes d'azote NOx n'est pas traitée, ou bien l'ammoniac NH3 ne réagit pas. La plupart des problèmes que posent les applications de réduction sélective non catalytique concernent la répartition non uniforme de l'agent réducteur dans la chambre de combustion.
Outre la distribution et le mélange, un autre paramètre important est la taille des gouttes d'un agent réducteur liquide. De petites gouttes s'évaporeraient trop rapidement et réagiraient à des températures trop élevées, ce qui entraînerait une baisse du taux de réduction des oxydes d'azote, tandis que des gouttes plus grosses s'évaporeraient trop lentement et réagiraient à
des températures trop basses, ce qui entraînerait un dégagement d'ammoniac NH3 plus important.
Le choix de l'agent réducteur influence également la formation de sous-produits tels que le protoxyde d'azote (N20). L'utilisation de l'ammoniac et de l'ammoniac caustique produit des quantités négligeables de N20 tandis que des quantités relativement élevées peuvent être mesurées lors de l'injection directe d'urée dans l'enceinte de combustion.
Le temps de séjour dans la plage de température requise varie de 0,2 à 0,5 s. Cette plage de durée de contact est plutôt instable ; c'est la raison pour laquelle le ratio ammoniac/oxydes d'azote doit être riche en ammoniac au lieu d'être stoechiométrique. Là encore, il faut optimiser le ratio molaire NH3/NOx. Le taux d'élimination des NOx est favorisé par un ratio plus élevé, mais le dégagement d'ammoniac augmente aussi, ce qui entraîne une pollution accrue des équipements placés en aval (échangeurs de chaleur, traitement de fumées). Pour neutraliser ces deux effets contraires, le ratio NH3/NOx est limité
4 dans une plage comprise entre 1,5 et 2,5.
Dans le cas d'un four à lit fluidisé de combustion de boues de station d'épuration, la température dans la chambre de combustion se situe entre 850 C et 870 C. Ce niveau de température n'est pas propice à l'usage du procédé SNCR dans les meilleures conditions, ce qui limite le taux d'abattement des oxydes d'azote à 40-50 % et génère des sous-produits de réaction tels qu'ammoniac NH3 ou protoxyde d'azote N20. Cette particularité s'ajoute aux imperfections de mélanges liées à l'injection d'un agent réducteur dans une enceinte de grand volume.
De plus, au cours de l'évaporation de la solution d'ammoniaque, la température de l'enceinte de combustion va chuter en fonction de la quantité
nécessaire d'agent réducteur. Cette chute est néfaste pour l'obtention de la température réglementaire européenne de 850 C pendant 2s (T2s).
L'invention a pour but, surtout, de proposer un procédé amélioré de dénitrification des fumées produites par un four de combustion, procédé qui, tout en étant du type procédé SNCR, permette de répondre, au moins en partie, aux inconvénients majeurs du traitement des oxydes d'azote NOx par le procédé SNCR:
- faible rendement de la réaction (NSR>2 pour NO sortant/NO entrant = 60 %) ;
- homogénéité du mélange agent réducteur/gaz difficile à obtenir ;
- production de sous-produits (NH3/N20) ;
- absence d'impact sur la température réglementaire T2s.
Selon l'invention, le procédé de dénitrification en phase hétérogène des fumées produites par un four de combustion, en particulier un four d'incinération de déchets ou de boues de station d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles, procédé selon lequel un combustible est introduit dans un lit fluidisé ou sur une grille, et de l'air de combustion est injecté dans le four, est caractérisé en ce qu'un agent réducteur est injecté dans le combustible et/ou dans l'air de combustion en amont de la chambre de combustion et est mélangé de manière homogène avec le combustible et/ou l'air de combustion, l'agent réducteur étant choisi pour assurer la réduction des oxydes d'azote en azote, de sorte que l'agent réducteur exerce un traitement de réduction favorisé
par la couche de matières solides ou de cendres présente dans le four.
La température des gaz dans la chambre de combustion du four est, en général, inférieure à 900 C.
De préférence, l'agent réducteur est choisi parmi les composés chimiques de base amnnoniaquée.
L'application de la réaction de dénitrification en phase hétérogène en utilisant la zone de combustion (lit de sable ou grille de déchets) comme zone
Dans le cas d'un four à lit fluidisé de combustion de boues de station d'épuration, la température dans la chambre de combustion se situe entre 850 C et 870 C. Ce niveau de température n'est pas propice à l'usage du procédé SNCR dans les meilleures conditions, ce qui limite le taux d'abattement des oxydes d'azote à 40-50 % et génère des sous-produits de réaction tels qu'ammoniac NH3 ou protoxyde d'azote N20. Cette particularité s'ajoute aux imperfections de mélanges liées à l'injection d'un agent réducteur dans une enceinte de grand volume.
De plus, au cours de l'évaporation de la solution d'ammoniaque, la température de l'enceinte de combustion va chuter en fonction de la quantité
nécessaire d'agent réducteur. Cette chute est néfaste pour l'obtention de la température réglementaire européenne de 850 C pendant 2s (T2s).
L'invention a pour but, surtout, de proposer un procédé amélioré de dénitrification des fumées produites par un four de combustion, procédé qui, tout en étant du type procédé SNCR, permette de répondre, au moins en partie, aux inconvénients majeurs du traitement des oxydes d'azote NOx par le procédé SNCR:
- faible rendement de la réaction (NSR>2 pour NO sortant/NO entrant = 60 %) ;
- homogénéité du mélange agent réducteur/gaz difficile à obtenir ;
- production de sous-produits (NH3/N20) ;
- absence d'impact sur la température réglementaire T2s.
Selon l'invention, le procédé de dénitrification en phase hétérogène des fumées produites par un four de combustion, en particulier un four d'incinération de déchets ou de boues de station d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles, procédé selon lequel un combustible est introduit dans un lit fluidisé ou sur une grille, et de l'air de combustion est injecté dans le four, est caractérisé en ce qu'un agent réducteur est injecté dans le combustible et/ou dans l'air de combustion en amont de la chambre de combustion et est mélangé de manière homogène avec le combustible et/ou l'air de combustion, l'agent réducteur étant choisi pour assurer la réduction des oxydes d'azote en azote, de sorte que l'agent réducteur exerce un traitement de réduction favorisé
par la couche de matières solides ou de cendres présente dans le four.
La température des gaz dans la chambre de combustion du four est, en général, inférieure à 900 C.
De préférence, l'agent réducteur est choisi parmi les composés chimiques de base amnnoniaquée.
L'application de la réaction de dénitrification en phase hétérogène en utilisant la zone de combustion (lit de sable ou grille de déchets) comme zone
5 préférentielle de réaction de la dénitrification et en profitant de l'aspect catalytique hétérogène de cette zone, permet de remédier, au moins en partie, aux inconvénients énumérés précédemment.
Cette disposition est d'une mise en pratique très simple et garantit une consommation d'agent réducteur la plus faible possible. S'il est un lieu où
l'homogénéité est garantie, c'est bien la zone de combustion des déchets solides et en particulier le lit de sable dans un four à lit fluidisé.
L'invention consiste ainsi à injecter l'agent réducteur, notamment une solution de réactif dénitrifiant, directement dans le combustible et/ou dans l'air de combustion avant son introduction dans le four, d'une manière aussi homogène que possible. Ainsi, l'agent réducteur est vaporisé en même temps que l'eau et la matière volatile contenue dans le combustible, et sa répartition, est assurée, au même titre que la charge de combustible, par la fluidisation du lit de sable.
Ce brassage intense, en plus de l'obtention de l'homogénéité, assure la coexistence des NOx/agent réducteur/lit catalytique (sable + cendres) et permet le déroulement de réactions de dénitrification catalysées à
températures relativement basses, de l'ordre de 800 C, qui ne sont pas possibles en phase homogène gaz/gaz à plus haute température selon le procédé classique SNCR.
Les réactions hétérogènes (catalytiques) sont du type :
4NH3 + 4N0 + 02 + C --> N2 + H20 (catalyse par carbone des déchets), 4NH3 + 4N0 + 02 + Ca0 - N2 + H20 (catalyse par cendres des déchets).
Si les réactions ne sont pas totales, la température plus élevée et le temps supérieur à 2 s (2 secondes) dans la postcombustion permettent les réactions de dénitrification à 850 C-870 C en phase homogène, sans les inconvénients d'un procédé SNCR classique.
L'agent réducteur peut être injecté dans le combustible solide et mélangé à celui-ci avant d'être introduit dans la chambre de combustion.
L'agent réducteur est injecté avec un co-réactif (chaux, calcaire,...) solide, liquide ou gazeux.
Cette disposition est d'une mise en pratique très simple et garantit une consommation d'agent réducteur la plus faible possible. S'il est un lieu où
l'homogénéité est garantie, c'est bien la zone de combustion des déchets solides et en particulier le lit de sable dans un four à lit fluidisé.
L'invention consiste ainsi à injecter l'agent réducteur, notamment une solution de réactif dénitrifiant, directement dans le combustible et/ou dans l'air de combustion avant son introduction dans le four, d'une manière aussi homogène que possible. Ainsi, l'agent réducteur est vaporisé en même temps que l'eau et la matière volatile contenue dans le combustible, et sa répartition, est assurée, au même titre que la charge de combustible, par la fluidisation du lit de sable.
Ce brassage intense, en plus de l'obtention de l'homogénéité, assure la coexistence des NOx/agent réducteur/lit catalytique (sable + cendres) et permet le déroulement de réactions de dénitrification catalysées à
températures relativement basses, de l'ordre de 800 C, qui ne sont pas possibles en phase homogène gaz/gaz à plus haute température selon le procédé classique SNCR.
Les réactions hétérogènes (catalytiques) sont du type :
4NH3 + 4N0 + 02 + C --> N2 + H20 (catalyse par carbone des déchets), 4NH3 + 4N0 + 02 + Ca0 - N2 + H20 (catalyse par cendres des déchets).
Si les réactions ne sont pas totales, la température plus élevée et le temps supérieur à 2 s (2 secondes) dans la postcombustion permettent les réactions de dénitrification à 850 C-870 C en phase homogène, sans les inconvénients d'un procédé SNCR classique.
L'agent réducteur peut être injecté dans le combustible solide et mélangé à celui-ci avant d'être introduit dans la chambre de combustion.
L'agent réducteur est injecté avec un co-réactif (chaux, calcaire,...) solide, liquide ou gazeux.
6 On peut effectuer une injection d'agent réducteur dans un combustible liquide ou gazeux alimentant une zone où des combustibles solides sont présents dans le four.
On peut effectue une injection d'agent réducteur dans un déchet solide, sable ou cendres, en recirculation.
L'agent réducteur peut être injecté dans l'air de combustion du four en amont de la chambre de combustion.
L'agent réducteur et le combustible sont mélangés de préférence dans un organe de mélange.
Dans le cas d'un four à lit de sable fluidisé comportant un dispositif de distribution homogène de l'air au travers du lit de sable, l'agent réducteur peut être injecté dans la boîte de distribution de l'air de combustion, également appelée boîte à vent.
L'agent réducteur peut être choisi parmi l'ammoniac ou l'urée.
De préférence, l'agent réducteur est vaporisé préalablement à son injection dans l'air de combustion.
L'agent réducteur peut être injecté directement en phase solide, ou liquide ou gazeuse, avec dilution éventuelle à l'eau.
Lorsque l'agent réducteur est injecté directement en phase liquide sous forme pulvérisée, une aide à la pulvérisation de l'agent réducteur peut être assurée par ajout d'air en utilisant des buses d'atomisation.
Avantageusement, dans le cas d'un four à lit de sable fluidisé, on contrôle la température du lit de sable où a lieu la réduction hétérogène par modulation :
- du préchauffage de l'air de fluidisation, et/ou - de la stoechiométrie de l'air de combustion, et/ou - de la hauteur de la couche de sable, et/ou - de l'utilisation de combustible auxiliaire.
D'une manière générale, on contrôle le taux d'oxydes d'azote NOx et/ou d'ammoniac NH3 directement en sortie de l'enceinte de combustion, et on règle l'injection d'agent réducteur en fonction des teneurs mesurées de NOx et/
ou d'ammoniac NH3.
L'agent réducteur peut être injecté, au moins pour partie, dans un recyclage de fumées.
Avantageusement, on effectue un contrôle de la température de la zone de dévolatilisation où a lieu la réduction hétérogène par modulation du
On peut effectue une injection d'agent réducteur dans un déchet solide, sable ou cendres, en recirculation.
L'agent réducteur peut être injecté dans l'air de combustion du four en amont de la chambre de combustion.
L'agent réducteur et le combustible sont mélangés de préférence dans un organe de mélange.
Dans le cas d'un four à lit de sable fluidisé comportant un dispositif de distribution homogène de l'air au travers du lit de sable, l'agent réducteur peut être injecté dans la boîte de distribution de l'air de combustion, également appelée boîte à vent.
L'agent réducteur peut être choisi parmi l'ammoniac ou l'urée.
De préférence, l'agent réducteur est vaporisé préalablement à son injection dans l'air de combustion.
L'agent réducteur peut être injecté directement en phase solide, ou liquide ou gazeuse, avec dilution éventuelle à l'eau.
Lorsque l'agent réducteur est injecté directement en phase liquide sous forme pulvérisée, une aide à la pulvérisation de l'agent réducteur peut être assurée par ajout d'air en utilisant des buses d'atomisation.
Avantageusement, dans le cas d'un four à lit de sable fluidisé, on contrôle la température du lit de sable où a lieu la réduction hétérogène par modulation :
- du préchauffage de l'air de fluidisation, et/ou - de la stoechiométrie de l'air de combustion, et/ou - de la hauteur de la couche de sable, et/ou - de l'utilisation de combustible auxiliaire.
D'une manière générale, on contrôle le taux d'oxydes d'azote NOx et/ou d'ammoniac NH3 directement en sortie de l'enceinte de combustion, et on règle l'injection d'agent réducteur en fonction des teneurs mesurées de NOx et/
ou d'ammoniac NH3.
L'agent réducteur peut être injecté, au moins pour partie, dans un recyclage de fumées.
Avantageusement, on effectue un contrôle de la température de la zone de dévolatilisation où a lieu la réduction hétérogène par modulation du
7 préchauffage de l'air de fluidisation, et/ou de la stoechiométrie de l'air de combustion, et/ou de la hauteur de couche de sable, et/ou de l'utilisation de combustible auxiliaire.
L'invention est également relative à une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que défini précédemment, cette installation comportant un four de combustion, en particulier un four d'incinération de déchets ou de boues de station d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles, le combustible étant introduit dans un lit fluidisé ou sur une grille, et de l'air de combustion étant injecté dans le four, et étant caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite d'injection d'un agent réducteur dans la conduite de combustible et/ou dans la conduite d'air de combustion, en amont de la chambre de combustion, et un organe de mélange pour assurer un mélange homogène de l'agent réducteur avec le combustible et/ou l'air de combustion.
Avantageusement, l'installation comporte un organe de contrôle du débit d'agent réducteur, et au moins un capteur de la teneur des fumées en NOx ou en ammoniac NH3, en sortie du four, lequel capteur commande l'organe de contrôle.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont limitatifs. Sur ces dessins :
Fig. 1 est un schéma d'un four d'incinération à lit fluidisé de déchets ou de boues de stations d'épuration, mettant en oeuvre le procédé de l'invention.
Fig. 2 montre schématiquement, semblablement à Fig. 1, un four d'incinération de déchets à grille.
Fig. 3 est un schéma blocs du procédé avec injection de l'agent réducteur dans le combustible, et Fig. 4 est un schéma blocs des étapes du procédé lorsque l'agent réducteur est introduit dans l'air de combustion.
En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir un four de combustion 1 à lit de sable B fluidisé, selon lequel de l'air de combustion et de fluidisation 2 est introduit en partie inférieure dans une boîte à vent A
surmontée d'une arche al supportant le lit B. L'arche al est traversée par des tuyères a2 assurant la répartition de l'air soufflé dans le lit B. Un four de ce type est connu sous le nom Thermylis de la Société Degrémont. En général, la température des gaz dans la chambre de combustion du four est inférieure à
900 C.
L'invention est également relative à une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que défini précédemment, cette installation comportant un four de combustion, en particulier un four d'incinération de déchets ou de boues de station d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles, le combustible étant introduit dans un lit fluidisé ou sur une grille, et de l'air de combustion étant injecté dans le four, et étant caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite d'injection d'un agent réducteur dans la conduite de combustible et/ou dans la conduite d'air de combustion, en amont de la chambre de combustion, et un organe de mélange pour assurer un mélange homogène de l'agent réducteur avec le combustible et/ou l'air de combustion.
Avantageusement, l'installation comporte un organe de contrôle du débit d'agent réducteur, et au moins un capteur de la teneur des fumées en NOx ou en ammoniac NH3, en sortie du four, lequel capteur commande l'organe de contrôle.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont limitatifs. Sur ces dessins :
Fig. 1 est un schéma d'un four d'incinération à lit fluidisé de déchets ou de boues de stations d'épuration, mettant en oeuvre le procédé de l'invention.
Fig. 2 montre schématiquement, semblablement à Fig. 1, un four d'incinération de déchets à grille.
Fig. 3 est un schéma blocs du procédé avec injection de l'agent réducteur dans le combustible, et Fig. 4 est un schéma blocs des étapes du procédé lorsque l'agent réducteur est introduit dans l'air de combustion.
En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir un four de combustion 1 à lit de sable B fluidisé, selon lequel de l'air de combustion et de fluidisation 2 est introduit en partie inférieure dans une boîte à vent A
surmontée d'une arche al supportant le lit B. L'arche al est traversée par des tuyères a2 assurant la répartition de l'air soufflé dans le lit B. Un four de ce type est connu sous le nom Thermylis de la Société Degrémont. En général, la température des gaz dans la chambre de combustion du four est inférieure à
900 C.
8 Le lit B constitue une zone de dévolatilisation 3 qui contient les déchets en phase solide et dans laquelle les matières volatiles se dévolatilisent et brûlent en partie. On rappelle que la dévolatilisation d'un combustible désigne le processus par lequel, au cours d'un traitement thermique, le combustible perd ses matières volatiles (eau, matière hydrocarbonées, oxyde de carbone, hydrogène,...).
Le combustible est introduit en partie basse du lit B par au moins une buselure latérale 4. Une zone de postcombustion 5 se situe dans l'enceinte du four au-dessus du lit B.
L'injection 4 du combustible s'effectue ainsi dans la zone de dévolatilisation 3. Le combustible peut être constitué par des boues de station d'épuration, des déchets ménagers, du fioul, ou du gaz, ou tout déchet organique que l'on introduit dans un four pour le brûler.
Selon un premier aspect de l'invention, un agent réducteur 6 est injecté directement dans le combustible, en particulier boues ou déchets, avant introduction dans la chambre de combustion H au niveau de la zone de dévolatilisation 3. Cette injection peut s'effectuer par le biais d'un organe de contrôle 7 du débit de l'agent réducteur. L'injection de l'agent réducteur 6 est effectuée par une canalisation 8 branchée sur la conduite d'arrivée 4a du combustible. L'organe de contrôle 7 peut être du type vanne, pompe à débit variable, vis écluse rotative ou tout autre dispositif permettant de réguler le débit de l'agent réducteur.
Cet agent réducteur 6 peut être constitué d'une solution d'ammoniaque, d'ammoniac gazeux, d'urée en solution, d'acide cyanhydrique, ou tout autre réactif qui assure la réduction chimique des oxydes d'azote NOx.
L'agent réducteur 6 peut aussi être sous forme d'une matière pulvérulente notamment dans le cas où il est constitué par de l'urée.
L'organe de réglage du débit 7 peut être contrôlé par une mesure de la concentration en oxydes d'azote NOx ou en ammoniac NH3 en aval du four 1, notamment à l'aide d'un capteur 9 situé sur une conduite 10 de sortie des fumées du four 5. De préférence, le capteur 9 est installé en sortie de la zone de postcombustion 5.
Un dispositif ou organe de mélange 11 est installé sur la conduite d'arrivée 4a du combustible, en aval de l'injection de l'agent réducteur, pour réaliser un mélange homogène et un contact intime entre le combustible et l'agent réducteur 6. Ce dispositif mélangeur peut être constitué par une vis, un malaxeur, une zone de turbulence ou simplement un long tuyau ou tout moyen permettant d'avoir à l'entrée de la zone de dévolatilisation 3 un mélange aussi
Le combustible est introduit en partie basse du lit B par au moins une buselure latérale 4. Une zone de postcombustion 5 se situe dans l'enceinte du four au-dessus du lit B.
L'injection 4 du combustible s'effectue ainsi dans la zone de dévolatilisation 3. Le combustible peut être constitué par des boues de station d'épuration, des déchets ménagers, du fioul, ou du gaz, ou tout déchet organique que l'on introduit dans un four pour le brûler.
Selon un premier aspect de l'invention, un agent réducteur 6 est injecté directement dans le combustible, en particulier boues ou déchets, avant introduction dans la chambre de combustion H au niveau de la zone de dévolatilisation 3. Cette injection peut s'effectuer par le biais d'un organe de contrôle 7 du débit de l'agent réducteur. L'injection de l'agent réducteur 6 est effectuée par une canalisation 8 branchée sur la conduite d'arrivée 4a du combustible. L'organe de contrôle 7 peut être du type vanne, pompe à débit variable, vis écluse rotative ou tout autre dispositif permettant de réguler le débit de l'agent réducteur.
Cet agent réducteur 6 peut être constitué d'une solution d'ammoniaque, d'ammoniac gazeux, d'urée en solution, d'acide cyanhydrique, ou tout autre réactif qui assure la réduction chimique des oxydes d'azote NOx.
L'agent réducteur 6 peut aussi être sous forme d'une matière pulvérulente notamment dans le cas où il est constitué par de l'urée.
L'organe de réglage du débit 7 peut être contrôlé par une mesure de la concentration en oxydes d'azote NOx ou en ammoniac NH3 en aval du four 1, notamment à l'aide d'un capteur 9 situé sur une conduite 10 de sortie des fumées du four 5. De préférence, le capteur 9 est installé en sortie de la zone de postcombustion 5.
Un dispositif ou organe de mélange 11 est installé sur la conduite d'arrivée 4a du combustible, en aval de l'injection de l'agent réducteur, pour réaliser un mélange homogène et un contact intime entre le combustible et l'agent réducteur 6. Ce dispositif mélangeur peut être constitué par une vis, un malaxeur, une zone de turbulence ou simplement un long tuyau ou tout moyen permettant d'avoir à l'entrée de la zone de dévolatilisation 3 un mélange aussi
9 fin que possible du combustible et de l'agent réducteur 6.
Il est à noter que, selon l'invention, il est également possible d'injecter l'agent réducteur 6 dans un combustible auxiliaire, fioul ou gaz, qui peut être introduit dans le four par une buselure 4b autre que la buselure 4, pour stabiliser la combustion. Il est aussi possible d'injecter l'agent réducteur 6 dans tout produit solide tel que cendres ou sable recirculé(es) dans la zone de dévolatilisation 3.
De préférence, une sonde 12 de mesure de la concentration en oxydes d'azote NOx est prévue sur la conduite 10 juste en aval de la zone de postcombustion 5. Une sonde 13 de mesure de la concentration en ammoniac NH3 dans les fumées est également prévue en aval de la combustion sur la conduite 10 pour contrôler la sur-stoechiométrie de la réaction. L'une des deux sondes 12, 13 peut être confondue avec le capteur 9.
Des capteurs de température de la zone de combustion sont prévus dans le four, en particulier un capteur 14 de la température de la zone hétérogène constituée par le lit 3 avec présence de solides, sable ou déchets, ou de gaz. Ces capteurs de température sont implantés afin de contrôler et d'adapter la température dans la zone concernée, en particulier en faisant varier le préchauffage, par un préchauffeur El, de l'air de combustion qui arrive par la conduite 2, et en réglant la stoechiométrie ou sur-stoechiométrie de la combustion par action sur une soufflante S donnant le débit de combustible et/ou d'air de combustion.
Selon un deuxième aspect de l'invention, qui peut être combiné avec le premier, l'agent réducteur 6 peut être injecté dans l'air de combustion et de fluidisation par une canalisation 8a branchée sur la conduite 2a d'arrivée d'air raccordée à la sortie d'une soufflante S. Un dispositif mélangeur 11 a est prévu sur la conduite 2a en aval de l'injection de l'agent réducteur pour assurer un mélange homogène et intime avant arrivée dans la boîte à vent A, également appelée boîte de distribution de l'air de combustion.
Les fumées sortant par la conduite 10 traversent le préchauffeur El, constitué notamment par une unité formant échangeur de chaleur avec l'air de combustion 2. Avant rejet à la cheminée C, les fumées peuvent traverser une unité E2 assurant un traitement d'élimination des oxydes d'azote restant par une réaction catalytique sélective (SCR).
L'invention est de préférence utilisée dans un four à lit de sable fluidisé selon l'exemple de Fig. 1, pour exploiter le fort caractère catalytique de ce lit.
Toutefois, l'invention peut aussi être utilisée dans un four à grille lb (Fig. 2) comportant une grille 15 inclinée depuis l'entrée 15e des matières à
brûler, notamment des déchets urbains, jusqu'à la sortie 15s des résidus et cendres. Un lit 3b de matières en combustion et de cendres se forme sur la 5 grille 15. L'air de combustion est introduit par une conduite 2b sur laquelle est installée une soufflante Sb. L'air de combustion 16 est soufflé dans une chambre de distribution Ab au-dessous de la grille 15 en étant réparti sur toute l'étendue de cette grille par une rampe ou un dispositif non représenté.
L'agent réducteur est injecté, dans l'air de combustion, sous forme
Il est à noter que, selon l'invention, il est également possible d'injecter l'agent réducteur 6 dans un combustible auxiliaire, fioul ou gaz, qui peut être introduit dans le four par une buselure 4b autre que la buselure 4, pour stabiliser la combustion. Il est aussi possible d'injecter l'agent réducteur 6 dans tout produit solide tel que cendres ou sable recirculé(es) dans la zone de dévolatilisation 3.
De préférence, une sonde 12 de mesure de la concentration en oxydes d'azote NOx est prévue sur la conduite 10 juste en aval de la zone de postcombustion 5. Une sonde 13 de mesure de la concentration en ammoniac NH3 dans les fumées est également prévue en aval de la combustion sur la conduite 10 pour contrôler la sur-stoechiométrie de la réaction. L'une des deux sondes 12, 13 peut être confondue avec le capteur 9.
Des capteurs de température de la zone de combustion sont prévus dans le four, en particulier un capteur 14 de la température de la zone hétérogène constituée par le lit 3 avec présence de solides, sable ou déchets, ou de gaz. Ces capteurs de température sont implantés afin de contrôler et d'adapter la température dans la zone concernée, en particulier en faisant varier le préchauffage, par un préchauffeur El, de l'air de combustion qui arrive par la conduite 2, et en réglant la stoechiométrie ou sur-stoechiométrie de la combustion par action sur une soufflante S donnant le débit de combustible et/ou d'air de combustion.
Selon un deuxième aspect de l'invention, qui peut être combiné avec le premier, l'agent réducteur 6 peut être injecté dans l'air de combustion et de fluidisation par une canalisation 8a branchée sur la conduite 2a d'arrivée d'air raccordée à la sortie d'une soufflante S. Un dispositif mélangeur 11 a est prévu sur la conduite 2a en aval de l'injection de l'agent réducteur pour assurer un mélange homogène et intime avant arrivée dans la boîte à vent A, également appelée boîte de distribution de l'air de combustion.
Les fumées sortant par la conduite 10 traversent le préchauffeur El, constitué notamment par une unité formant échangeur de chaleur avec l'air de combustion 2. Avant rejet à la cheminée C, les fumées peuvent traverser une unité E2 assurant un traitement d'élimination des oxydes d'azote restant par une réaction catalytique sélective (SCR).
L'invention est de préférence utilisée dans un four à lit de sable fluidisé selon l'exemple de Fig. 1, pour exploiter le fort caractère catalytique de ce lit.
Toutefois, l'invention peut aussi être utilisée dans un four à grille lb (Fig. 2) comportant une grille 15 inclinée depuis l'entrée 15e des matières à
brûler, notamment des déchets urbains, jusqu'à la sortie 15s des résidus et cendres. Un lit 3b de matières en combustion et de cendres se forme sur la 5 grille 15. L'air de combustion est introduit par une conduite 2b sur laquelle est installée une soufflante Sb. L'air de combustion 16 est soufflé dans une chambre de distribution Ab au-dessous de la grille 15 en étant réparti sur toute l'étendue de cette grille par une rampe ou un dispositif non représenté.
L'agent réducteur est injecté, dans l'air de combustion, sous forme
10 gazeuse, ou liquide notamment selon une dispersion en gouttelettes, ou sous forme solide, notamment en poudre. L'injection a lieu dans la conduite 2b. Un dispositif mélangeur 11b, situé en aval de l'injection, assure un mélange homogène et un contact intime entre l'air et l'agent réducteur. Ce mélange est soufflé sous la grille 15 et traverse la grille 15 et le lit 3b, qui joue un rôle analogue à celui du lit 3 de Fig. 1.
Selon la réalisation de Fig. 2, l'agent réducteur pourrait également être introduit dans les matières à brûler ou dans le combustible injecté à
l'entrée 15e.
Lorsque l'agent réducteur 6 dénitrifiant est injecté directement dans le combustible avant son introduction dans le four, l'agent réducteur est vaporisé en même temps que l'eau et la matière volatile contenue dans le combustible. La répartition de l'agent réducteur est assurée au même titre que la charge de combustible par la fluidisation du lit de sable 3 ou, dans le cas d'un four à grille, par le brassage des cendres et des matières en combustion du lit 3b.
Le brassage intense, en plus d'assurer l'obtention de l'homogénéité
et de l'action catalytique du lit de sable 3 ou du lit de cendres 3b, permet le déroulement de réactions de dénitrification catalysées à température relativement basse, de l'ordre de 800 C, qui ne seraient possibles en phase homogène gaz/gaz qu'à des températures plus élevées.
Les réactions hétérogènes catalytiques sont du type :
4NH3 + 4N0 + 02 + C N2 + H20 (catalyse par carbone des déchets), 4NH3 + 4N0 + 02 + Ca0 N2 + H20 (catalyse par cendres des déchets).
Si les réactions ne sont pas totales, la température plus élevée et le temps de séjour supérieur à 2 s (2 secondes) dans la zone de postcombustion 5, 5b, permettent les réactions de dénitrification à 850 C-870 C en phase homogène, sans présenter les inconvénients d'un procédé SNCR classique.
Selon la réalisation de Fig. 2, l'agent réducteur pourrait également être introduit dans les matières à brûler ou dans le combustible injecté à
l'entrée 15e.
Lorsque l'agent réducteur 6 dénitrifiant est injecté directement dans le combustible avant son introduction dans le four, l'agent réducteur est vaporisé en même temps que l'eau et la matière volatile contenue dans le combustible. La répartition de l'agent réducteur est assurée au même titre que la charge de combustible par la fluidisation du lit de sable 3 ou, dans le cas d'un four à grille, par le brassage des cendres et des matières en combustion du lit 3b.
Le brassage intense, en plus d'assurer l'obtention de l'homogénéité
et de l'action catalytique du lit de sable 3 ou du lit de cendres 3b, permet le déroulement de réactions de dénitrification catalysées à température relativement basse, de l'ordre de 800 C, qui ne seraient possibles en phase homogène gaz/gaz qu'à des températures plus élevées.
Les réactions hétérogènes catalytiques sont du type :
4NH3 + 4N0 + 02 + C N2 + H20 (catalyse par carbone des déchets), 4NH3 + 4N0 + 02 + Ca0 N2 + H20 (catalyse par cendres des déchets).
Si les réactions ne sont pas totales, la température plus élevée et le temps de séjour supérieur à 2 s (2 secondes) dans la zone de postcombustion 5, 5b, permettent les réactions de dénitrification à 850 C-870 C en phase homogène, sans présenter les inconvénients d'un procédé SNCR classique.
11 Dans le cas où l'agent réducteur dénitrifiant est injecté dans l'air de combustion/fluidisation, le mélange passe au travers du déchet à brûler.
La boîte à vent A située sous l'enceinte de combustion est le lieu permettant la distribution homogène et contrôlée de l'air de combustion dans l'enceinte. C'est une zone vide dont la liaison avec l'enceinte de combustion est constituée d'une arche al avec orifices, ou d'une grille 15 qui peut être formée d'un simple orifice percé, ou de tuyères de distribution, ou d'une grille mobile ou tout autre moyen permettant la distribution homogène de l'air dans l'enceinte de combustion.
L'air de combustion arrive dans la boîte à vent après avoir ou non été
préchauffé dans un préchauffeur El pouvant être un échangeur air-fumées, air-vapeur, air-huile ou eau ou tout autre système permettant de monter en température l'air de combustion.
L'agent réducteur 6 est mélangé au moyen d'une canne de répartition (non représentée) implantée dans la conduite ou gaine 2a,2b d'air de combustion réchauffé entre le préchauffeur et la boîte à vent. Si l'agent réducteur est sous forme aqueuse il est préalablement vaporisé par injection de vapeur, d'air comprimé ou tout autre moyen permettant une bonne répartition dans la gaine entre le préchauffeur et la boîte à vent.
Le dosage de la quantité d'agent réducteur est assuré par une vanne de régulation 7a,7b placée sur la tuyauterie de l'agent réducteur avant, ou de préférence après, la vaporisation. Cette vanne peut être régulée en fonction de la teneur en NOx et/ou de NH3 mesurée en aval.
L'agent réducteur est alors acheminé au four via la boîte à vent et la grille.
En particulier dans un lit fluidisé, tel que le lit 3 de Fig. 1, la perte de charge des tuyères a2 permet une répartition homogène du flux d'air de combustion chargé en agent réducteur. Un phénomène semblable se produit dans le cas d'un four à grille tel que celui de Fig. 2. Ensuite, le passage de l'air de combustion chargé de l'agent réducteur dans le lit 3 ou dans le lit 3b assure un brassage intense entre les oxydes d'azote NOx et l'agent réducteur pour favoriser la réaction de réduction. En plus de l'obtention de l'homogénéité, la coexistence des oxydes d'azote NOx/agent réducteur/lit catalytique (sable +
cendres) permet le déroulement des réactions de dénitrification catalysées à
température relativement basse (800 C).
Fig. 3 est un schéma blocs résumant le fonctionnement de l'invention dans le cas où l'agent réducteur est injecté dans le combustible.
Le combustible arrive par la conduite 4a dans l'organe de mélange
La boîte à vent A située sous l'enceinte de combustion est le lieu permettant la distribution homogène et contrôlée de l'air de combustion dans l'enceinte. C'est une zone vide dont la liaison avec l'enceinte de combustion est constituée d'une arche al avec orifices, ou d'une grille 15 qui peut être formée d'un simple orifice percé, ou de tuyères de distribution, ou d'une grille mobile ou tout autre moyen permettant la distribution homogène de l'air dans l'enceinte de combustion.
L'air de combustion arrive dans la boîte à vent après avoir ou non été
préchauffé dans un préchauffeur El pouvant être un échangeur air-fumées, air-vapeur, air-huile ou eau ou tout autre système permettant de monter en température l'air de combustion.
L'agent réducteur 6 est mélangé au moyen d'une canne de répartition (non représentée) implantée dans la conduite ou gaine 2a,2b d'air de combustion réchauffé entre le préchauffeur et la boîte à vent. Si l'agent réducteur est sous forme aqueuse il est préalablement vaporisé par injection de vapeur, d'air comprimé ou tout autre moyen permettant une bonne répartition dans la gaine entre le préchauffeur et la boîte à vent.
Le dosage de la quantité d'agent réducteur est assuré par une vanne de régulation 7a,7b placée sur la tuyauterie de l'agent réducteur avant, ou de préférence après, la vaporisation. Cette vanne peut être régulée en fonction de la teneur en NOx et/ou de NH3 mesurée en aval.
L'agent réducteur est alors acheminé au four via la boîte à vent et la grille.
En particulier dans un lit fluidisé, tel que le lit 3 de Fig. 1, la perte de charge des tuyères a2 permet une répartition homogène du flux d'air de combustion chargé en agent réducteur. Un phénomène semblable se produit dans le cas d'un four à grille tel que celui de Fig. 2. Ensuite, le passage de l'air de combustion chargé de l'agent réducteur dans le lit 3 ou dans le lit 3b assure un brassage intense entre les oxydes d'azote NOx et l'agent réducteur pour favoriser la réaction de réduction. En plus de l'obtention de l'homogénéité, la coexistence des oxydes d'azote NOx/agent réducteur/lit catalytique (sable +
cendres) permet le déroulement des réactions de dénitrification catalysées à
température relativement basse (800 C).
Fig. 3 est un schéma blocs résumant le fonctionnement de l'invention dans le cas où l'agent réducteur est injecté dans le combustible.
Le combustible arrive par la conduite 4a dans l'organe de mélange
12 11, lequel reçoit, par l'intermédiaire de l'organe de contrôle 7, l'agent réducteur 6.
Le mélange, obtenu en sortie de l'organe 11, est homogène et un bon contact est assuré entre le combustible et l'agent réducteur. Ce mélange est introduit dans la zone de dévolatilisation 3 du four 1. L'air de combustion et de fluidisation est injecté dans cette zone 3. La combustion se poursuit dans la zone de postcombustion 5. Les capteurs 9, 12 et 13 assurent la mesure des concentrations en oxydes d'azote NOx et NH3 dans les fumées qui sortent par la conduite 10.
Fig. 4 est un schéma blocs illustrant le fonctionnement de l'invention lorsque l'agent réducteur est injecté dans l'air de combustion.
L'agent réducteur 6 est dirigé par la conduite 8a,8b vers la vanne de contrôle 7a,7b avant d'être injecté dans la conduite 2a,2b d'air de combustion qui, généralement, a été préchauffé par un préchauffeur El à l'aide des fumées. On peut prévoir en amont de la vanne de contrôle 7a, 7b une dilution ou une injection d'air à la pulvérisation 17 dans l'agent réducteur 6.
Le mélange d'air de combustion et d'agent réducteur est introduit dans la boîte à vent A ou sous la grille 15, dans le cas d'un four à grille, puis dans l'enceinte de combustion d'où sortent les fumées par la conduite 10.
Selon l'invention, les oxydes d'azote NOx sont détruits dans le lit de sable 3 ou dans le lit de cendres 3b dont la partie minérale agit comme un catalyseur.
En début de combustion, la vitesse d'introduction des boues ou matières à brûler est augmentée afin de constituer une couche, en particulier le lit 3b dans le cas d'un four à grille. Cette phase de démarrage peut durer environ 10 à 15 minutes.
L'invention permet d'assurer une dénitrification efficace des fumées produites par un four de combustion, en particulier un four d'incinération de déchets ou de boues de stations d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles.
Le mélange, obtenu en sortie de l'organe 11, est homogène et un bon contact est assuré entre le combustible et l'agent réducteur. Ce mélange est introduit dans la zone de dévolatilisation 3 du four 1. L'air de combustion et de fluidisation est injecté dans cette zone 3. La combustion se poursuit dans la zone de postcombustion 5. Les capteurs 9, 12 et 13 assurent la mesure des concentrations en oxydes d'azote NOx et NH3 dans les fumées qui sortent par la conduite 10.
Fig. 4 est un schéma blocs illustrant le fonctionnement de l'invention lorsque l'agent réducteur est injecté dans l'air de combustion.
L'agent réducteur 6 est dirigé par la conduite 8a,8b vers la vanne de contrôle 7a,7b avant d'être injecté dans la conduite 2a,2b d'air de combustion qui, généralement, a été préchauffé par un préchauffeur El à l'aide des fumées. On peut prévoir en amont de la vanne de contrôle 7a, 7b une dilution ou une injection d'air à la pulvérisation 17 dans l'agent réducteur 6.
Le mélange d'air de combustion et d'agent réducteur est introduit dans la boîte à vent A ou sous la grille 15, dans le cas d'un four à grille, puis dans l'enceinte de combustion d'où sortent les fumées par la conduite 10.
Selon l'invention, les oxydes d'azote NOx sont détruits dans le lit de sable 3 ou dans le lit de cendres 3b dont la partie minérale agit comme un catalyseur.
En début de combustion, la vitesse d'introduction des boues ou matières à brûler est augmentée afin de constituer une couche, en particulier le lit 3b dans le cas d'un four à grille. Cette phase de démarrage peut durer environ 10 à 15 minutes.
L'invention permet d'assurer une dénitrification efficace des fumées produites par un four de combustion, en particulier un four d'incinération de déchets ou de boues de stations d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles.
Claims (15)
1. Procédé de dénitrification en phase hétérogène des fumées produites par un four de combustion pour incinérer des déchets ou boues de station d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles, comprenant une chambre de combustion avec un lit de sable ou cendres, procédé comprenant les étapes suivantes :
- introduction de déchets ou boues en tant que combustible dans une zone de dévolatisation du four dans laquelle le sable ou les cendres sont situées et dans laquelle le combustible perd ses composants volatiles durant la combustion de telle sorte que la zone de dévolatisation est constituée du lit comprenant du sable ou des cendres avec le combustible, - injection d'un agent réducteur sous forme vaporisée dans au moins l'un d'un air de combustion, en amont d'une boîte à vent du four, et le combustible, - introduction de l'air de combustion dans la boîte à vent du four positionnée sous la zone de dévolatisation, la boîte à vent distribuant l'air de combustion dans le lit et mélangeant le lit avec l'air de combustion, la boîte à vent étant la seule entrée d'air de combustion ;
- dans lequel l'agent réducteur est introduit uniquement en amont de ladite zone de dévolatisation, - contrôle du taux d'oxydes d'azote NOx et/ou d'ammoniac NH3 directement en sortie d'une enceinte de combustion, et - régulation de l'injection de l'agent réducteur en fonction des teneurs mesurées de NOx et/ou d'ammoniac NH3;
procédé dans lequel l'agent réducteur est un composé chimique de base ammoniaquée NH3 causant une réduction des oxydes d'azote en azote, et dans lequel la réduction des oxydes d'azote en azote est mise en oeuvre dans le lit où oxydes d'azote/agent réducteur/lit catalytique coexistent, selon les réactions du type suivant :
4NH3 + 4NO + O2 + C ~ N2 + H2O (catalyse par carbone des déchets ou boues), 4NH3 + 4NO + O2 + CaO ~ N2 + H2O (catalyse par cendres des déchets ou boues).
- introduction de déchets ou boues en tant que combustible dans une zone de dévolatisation du four dans laquelle le sable ou les cendres sont situées et dans laquelle le combustible perd ses composants volatiles durant la combustion de telle sorte que la zone de dévolatisation est constituée du lit comprenant du sable ou des cendres avec le combustible, - injection d'un agent réducteur sous forme vaporisée dans au moins l'un d'un air de combustion, en amont d'une boîte à vent du four, et le combustible, - introduction de l'air de combustion dans la boîte à vent du four positionnée sous la zone de dévolatisation, la boîte à vent distribuant l'air de combustion dans le lit et mélangeant le lit avec l'air de combustion, la boîte à vent étant la seule entrée d'air de combustion ;
- dans lequel l'agent réducteur est introduit uniquement en amont de ladite zone de dévolatisation, - contrôle du taux d'oxydes d'azote NOx et/ou d'ammoniac NH3 directement en sortie d'une enceinte de combustion, et - régulation de l'injection de l'agent réducteur en fonction des teneurs mesurées de NOx et/ou d'ammoniac NH3;
procédé dans lequel l'agent réducteur est un composé chimique de base ammoniaquée NH3 causant une réduction des oxydes d'azote en azote, et dans lequel la réduction des oxydes d'azote en azote est mise en oeuvre dans le lit où oxydes d'azote/agent réducteur/lit catalytique coexistent, selon les réactions du type suivant :
4NH3 + 4NO + O2 + C ~ N2 + H2O (catalyse par carbone des déchets ou boues), 4NH3 + 4NO + O2 + CaO ~ N2 + H2O (catalyse par cendres des déchets ou boues).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible est un déchet choisi parmi le groupe comprenant les boues, huiles, gaz et autre déchets de station d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'agent réducteur est injecté dans le combustible en injectant l'agent réducteur dans le combustible avant l'étape d'introduction du combustible dans la zone de dévolatisation du four de combustion.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'agent réducteur est choisi parmi l'ammoniac ou l'urée.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'agent réducteur est injecté avec un co-réactif solide, liquide ou gazeux.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le four à combustion comprend un four à lit fluidisé, le lit comprenant du sable dans lequel la distribution de l'air de combustion produit la fluidisation du lit.
7. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'agent réducteur est dilué avec de l'eau.
8. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'agent réducteur est injecté dans le combustible selon l'une des options suivantes :
- en phase solide sous forme d'une matière pulvérulente, - en phase liquide, sous forme d'une solution d'ammoniaque ou d'urée, et - en phase gazeuse, sous forme d'ammoniac gazeux.
- en phase solide sous forme d'une matière pulvérulente, - en phase liquide, sous forme d'une solution d'ammoniaque ou d'urée, et - en phase gazeuse, sous forme d'ammoniac gazeux.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le four à combustion comprend un four à lit de sable fluidisé, la distribution de l'air de combustion produisant la fluidisation du lit, et dans lequel on contrôle une température du lit de sable en contrôlant l'un ou plus:
- d'une température de l'air de combustion de fluidisation, - d'une stoechiométrie de l'air de combustion, - d'une hauteur de la couche de sable, et/ou - d'une utilisation de combustible auxiliaire.
- d'une température de l'air de combustion de fluidisation, - d'une stoechiométrie de l'air de combustion, - d'une hauteur de la couche de sable, et/ou - d'une utilisation de combustible auxiliaire.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'agent réducteur et le combustible sont mélangés dans un organe de mélange avant introduction dans le four de combustion.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'une température de la chambre de combustion se situe dans la plage de 850°C à 870°C.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'une température du lit fluidisé est d'environ 800°C.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'une température d'une zone de post-combustion est au-dessous de 900°C.
14. Installation pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, comportant un four de combustion pour incinérer des déchets ou boues de station d'épuration d'eaux urbaines ou industrielles, le combustible étant introduit dans un lit de sable ou de cendres, caractérisée en ce qu'elle comporte une canalisation d'injection d'un agent réducteur dans une conduite d'air de combustion, en amont d'une chambre de combustion, et un organe de mélange pour assurer un mélange homogène de l'agent réducteur avec l'air de combustion, étant prévu sur la conduite en aval de l'injection de l'agent réducteur pour assurer un mélange homogène et intime avant arrivée dans une boîte à vent, également appelée boîte de distribution de l'air de combustion.
15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comporte un organe de contrôle du débit d'agent réducteur, et au moins un capteur de la teneur des fumées en NOx ou en ammoniac NH3, en sortie du four, lequel capteur commande l'organe de contrôle.
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