EP0936405A1 - Chaudière à lit fluidisé circulant à réduction d'oxydes d'azote améliorée - Google Patents

Chaudière à lit fluidisé circulant à réduction d'oxydes d'azote améliorée Download PDF

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EP0936405A1
EP0936405A1 EP99400288A EP99400288A EP0936405A1 EP 0936405 A1 EP0936405 A1 EP 0936405A1 EP 99400288 A EP99400288 A EP 99400288A EP 99400288 A EP99400288 A EP 99400288A EP 0936405 A1 EP0936405 A1 EP 0936405A1
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reagent
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Michel Vandycke
Corinne Beal
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    • F23J2219/00—Treatment devices
    • F23J2219/20—Non-catalytic reduction devices

Definitions

  • the invention relates to a circulating fluidized bed boiler, with a duct which extends in a longitudinal direction and which channels a flow of particles and gases containing nitrogen oxides, and means for injecting a reagent into the stream to reduce nitrogen oxides.
  • This injection mode is relatively simple to carry out.
  • injection into the wall of the duct does not allow complete mixture of reactive ammonia and nitrogen oxides.
  • the flow of particles and gases, although turbulent, is dominated by a speed component parallel to the direction longitudinal of the duct which limits the penetration of ammonia reactive to a layer in contact with the wall of the duct.
  • the object of the invention is to improve the mixing of the reagent with the nitrogen oxides contained in the gases to promote their reduction.
  • the invention relates to a fluidized bed boiler circulating with with a combustion hearth and a cyclone of separation connected together by a conduit which extends along a longitudinal direction and which channels a flow of particles and gases containing nitrogen oxides, and means for injecting into the stream a reagent for reducing nitrogen oxides, characterized in that this means comprises at least a first tubular rod arranged in a recess in the upper part of the hearth combustion which extends above the duct so as to inject the reagent in the longitudinal direction of the conduit and co-routinely to the flow.
  • the reagent is injected right into the flow and in a region of the flow sparse in particles which allows strengthen the mixture with nitrogen oxides and increase the reduction yield.
  • Figure 1 shows very schematically in front view a circulating fluidized bed boiler.
  • FIG 2 very schematically shows a boiler according to the Figure 1, with at least one injection rod disposed in the part top of a combustion chamber or a first flue communication between the combustion furnace and a cyclone separation.
  • Figure 3 shows very schematically a boiler according to the Figure 1, with at least one injection rod disposed in a second conduit formed by the upper part of an exchanger exterior with dense fluidized bed.
  • Figure 4 is a sectional view of an injection pipe.
  • a circulating fluidized bed boiler shown schematic in Figure 1, includes a combustion hearth 1 which extends vertically and a lower part of which is supplied by a fuel 3, for example crushed coal, and by a flow air 7 directed towards the top of the fireplace. Combustion takes place within a large mass of fine ash particles 5 strongly agitated and kept in suspension by the air flow 7 to form a fluidized bed having a particle density which decreases rapidly in depending on the height of the fireplace. Combustion takes place at a typical temperature of 850 degrees Celsius (° C) and generates NOx nitrogen oxides.
  • the air flow charged with fine particles and nitrogen oxides is channeled in the upper part of the hearth by a first conduit 9 which extends in a longitudinal direction L1 substantially horizontal and which opens into the upper part 11A of a cyclone of separation 11 arranged vertically.
  • a first conduit 9 which extends in a longitudinal direction L1 substantially horizontal and which opens into the upper part 11A of a cyclone of separation 11 arranged vertically.
  • the fumes 14 exit from the separation cyclone 11 and pass through heat exchangers conventional before being evacuated by a chimney.
  • a second conduit 17 forming an upper part of the exchanger exterior 15 extends parallel to a longitudinal direction L2 substantially horizontal and channels the flow of particles and gases from the separation cyclone 11 to the combustion furnace 1 through a fluidized system 19 to recycle the particles.
  • a reagent is injected, for example from ammonia in the gaseous state, using at least one tubular rod arranged so as to release the reagent in the direction longitudinal of the conduit and co-current with the flow of charged gas particles.
  • each tubular rod 21 is arranged in an upper part 1A of combustion furnace 1 where the flow of particles and gases is channeled through the first conduit 9 to be transported to the cyclone Separation 11.
  • each tubular rod is mounted in a recess 1C of the upper part 1A of the combustion hearth 1 which extends to the above the upper part 9A of the first conduit 9. This indentation 1C creates an impact layer 1B of the particles transported by the circulating flow and decreases the particle density in the reagent injection area.
  • each tubular rod 21 in an upper part 9A of the first conduit 9 which channels the flow leaving the hearth 1 towards the entry of the cyclone of separation 11.
  • each rod tubular 21 is arranged near the combustion hearth 1 for extend the residence time until the air flow enters the separation cyclone 11 and thus reinforce the reagent mixture injected with the nitrogen oxides contained in the stream.
  • rods tubular 21 at several points in a width direction of the focus combustion 1 or duct 9 which is perpendicular to the direction longitudinal L1 to reinforce the mixture with nitrogen oxides.
  • each tubular rod 21 is disposed in a second conduit 17 formed by an upper part 17A of the external exchanger 15, where the carbon is partially elutriated in particles from the cyclone 11.
  • the combustion of elutriated carbon takes place in a strong excess air above the dense fluidized bed and produces oxides nitrogen which are reduced by injecting the reagent.
  • each tubular rod 21 is arranged in relation to the flow current downstream of the entry zone 17B in the second conduit 17 particles from the cyclone 11 to extend the residence time of the reagent, account given the fact that in this entry zone 17B, the carbon elutriation is important.
  • Each tubular rod 21 comprises, in FIG. 4, at least one injection nozzle 23.
  • each tubular rod 21 is lowered into the combustion hearth, or in the first 9 or the second duct 17, substantially perpendicular to the longitudinal direction L1 or L2 and by orienting the injection nozzle 23 in the direction of flow of the flow of particles and gases to inject the reagent according to the longitudinal direction of the conduit and co-current to the flow.
  • each injection rod 21 in the part superior of hearth 1 or first 9 or second duct 17 is made by means of a flange 25 which preferably allows a translational movement of each rod perpendicular to the longitudinal direction of the duct to adjust the descent in the hearth or in the duct according to a lower density in particles in the flow and thus reinforce the mixing of the reagent with the nitrogen oxides.
  • each tubular rod is treated by depositing for example by plasma, a coating of tungsten carbide or carbide chromium.
  • the reagent is injected through a channel 29 which opens out through the injection nozzle 23.
  • the reagent used is gaseous ammonia or droplets ammonia solution, or a liquid ammonia precursor like urea in solution, pulsed by air.

Abstract

La chaudière à lit fluidisé circulant comprend un foyer de combustion (1) et un cyclone de séparation (11) reliés entre eux par un conduit (9) qui s'étend suivant une direction longitudinale (L1) et qui canalise un flux de particules et de gaz contenant des oxydes d'azote (NOx). Elle comprend encore un moyen pour injecter dans le flux un réactif permettant de réduire les oxydes d'azote. Ce moyen comprend au moins une première canne tubulaire (21) disposée dans un renfoncement (1C) de la partie supérieure du foyer de combustion qui s'étend au dessus du conduit de façon telle à injecter le réactif suivant la direction longitudinale (L1) du conduit (9) et de façon co-courante au flux.

Description

L'invention se rapporte à une chaudière à lit fluidisé circulant, avec un conduit qui s'étend suivant une direction longitudinale et qui canalise un flux de particules et de gaz contenant des oxydes d'azote, et un moyen pour injecter dans le flux un réactif permettant de réduire les oxydes d'azote.
Dans une chaudière de ce type, avec un conduit reliant un foyer de combustion à un cyclone de séparation, les particules sont séparées dans le cyclone de séparation et sont recyclées dans le foyer de combustion. Les gaz sont évacués par une cheminée après avoir traversé des échangeurs de chaleur conventionnels situés en aval du cyclone de séparation. La réduction des oxydes d'azote en azote moléculaire inerte est une mesure corrective qui permet de diminuer le rejet des oxydes d'azote avec les gaz évacués par la cheminée.
D'une manière générale, on injecte dans le flux de particules et de gaz de l'ammoniac pour réduire les oxydes d'azote selon un schéma réactionnel connu sous le nom de réduction sélective non catalytique. Il est admis aujourd'hui que trois principaux paramètres, la température, le temps de séjour, et le mélange de l'ammoniac réactif avec les oxydes d'azote, influencent la réaction de réduction dans l'installation.
La demande de brevet européenne EP 0 690 266, publiée le 3 janvier 1996, décrit une chaudière dans laquelle l'injection de l'ammoniac est réalisée par une ouverture formée dans la paroi de la partie supérieure du conduit, cette ouverture étant disposée à une distance plus courte du foyer de combustion que du cyclone de séparation. Ce mode d'injection est relativement simple à réaliser. Cependant, l'injection à même la paroi du conduit ne permet pas un mélange complet de l'ammoniac réactif et des oxydes d'azote. En effet, l'écoulement des particules et des gaz, bien que turbulent, est dominé par une composante de vitesse parallèle à la direction longitudinale du conduit qui cantonne la pénétration de l'ammoniac réactif à une couche en contact avec la paroi du conduit.
Le but de l'invention est d'améliorer le mélange du réactif avec les oxydes d'azote contenus dans les gaz pour favoriser leur réduction.
A cet effet, l'invention a pour objet une chaudière à lit fluidisé circulant avec avec un foyer de combustion et un cyclone de séparation reliés entre eux par un conduit qui s'étend suivant une direction longitudinale et qui canalise un flux de particules et de gaz contenant des oxydes d'azote, et un moyen pour injecter dans le flux un réactif permettant de réduire les oxydes d'azote, caractérisée en ce que ce moyen comprend au moins une première canne tubulaire disposée dans un renfoncement de la partie supérieure du foyer de combustion qui s'étend au dessus du conduit de façon telle à injecter le réactif suivant la direction longitudinale du conduit et de façon co-courante au flux.
Avec cet agencement, le réactif est injecté à coeur dans le flux et dans un région du flux peu dense en particules ce qui permet de renforcer le mélange avec les oxydes d'azote et d'augmenter le rendement de réduction.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront à la lecture de la description de deux modes de réalisation illustrés par les dessins.
La figure 1 montre très schématiquement en vue de face une chaudière à lit fluidisé circulant.
La figure 2 montre très schématiquement une chaudière selon la figure 1, avec au moins une canne d'injection disposée dans la partie supérieure d'un foyer de combustion ou d'un premier conduit de communication entre le foyer de combustion et un cyclone de séparation.
La figure 3 montre très schématiquement une chaudière selon la figure 1, avec au moins une canne d'injection disposée dans un deuxième conduit formé par la partie supérieure d'un échangeur extérieur à lit fluidisé dense.
La figure 4 est une vue en coupe d'une canne d'injection.
Une chaudière à lit fluidisé circulant, représentée de façon schématique sur la figure 1, comprend un foyer de combustion 1 qui s'étend verticalement et dont une partie inférieure est alimentée par un combustible 3, par exemple du charbon concassé, et par un flux d'air 7 dirigé vers le haut du foyer. La combustion s'effectue au sein d'une importante masse de fines particules de cendres 5 fortement agitées et maintenues en suspension par le flux d'air 7 pour former un lit fluidisé ayant une densité en particules qui diminue rapidement en fonction de la hauteur du foyer. La combustion a lieu à une température typique de 850 degrés celsius (°C) et génère des d'oxydes d'azote NOx.
Le flux d'air chargé des fines particules et des oxydes d'azote est canalisé dans la partie haute du foyer par un premier conduit 9 qui s'étend suivant une direction longitudinale L1 sensiblement horizontale et qui débouche dans la partie haute 11A d'un cyclone de séparation 11 disposé verticalement. Par un écoulement circulaire du flux d'air dans le cyclone, les fines particules de cendre sont séparées des fumées et sont recyclées vers le foyer de combustion 1 par l'intermédiaire d'un siphon fluidisé 13. Les fumées 14 sortent du cyclone de séparation 11 et traversent des échangeurs de chaleur conventionnels avant d'être évacuées par une cheminée.
Pour faciliter le contrôle de la température du foyer, on dispose en parallèle avec le siphon fluidisé 13, un échangeur extérieur à lit fluidisé dense 15, qui est alimenté en air 16 et en particules prélevées dans la partie inférieure 11B du cyclone de séparation 11. Un deuxième conduit 17 formant une partie supérieure de l'échangeur extérieur 15 s'étend parallèlement à une direction longitudinale L2 sensiblement horizontale et canalise le flux des particules et de gaz provenant du cyclone de séparation 11 vers le foyer de combustion 1 par l'intermédiaire d'un système fluidisé 19 pour recycler les particules.
Selon l'invention, pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz et les fumées, on injecte un réactif, par exemple de l'ammoniac à l'état gazeux, au moyen au moins d'une canne tubulaire disposée de façon telle à libérer le réactif suivant la direction longitudinale du conduit et de façon co-courante au flux de gaz chargé des particules.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, figure 2, chaque canne tubulaire 21 est disposée dans une partie supérieure 1A du foyer de combustion 1 où le flux de particules et de gaz est canalisé par le premier conduit 9 pour être transporté vers le cyclone de séparation 11. De préférence, dans ce premier mode de réalisation, on monte chaque canne tubulaire dans un renfoncement 1C de la partie supérieure 1A du foyer de combustion 1 qui s'étend au dessus de la partie supérieure 9A du premier conduit 9. Ce renfoncement 1C crée une couche d'impact 1B des particules transportées par le flux circulant et diminue la densité en particules dans la zone d'injection du réactif.
Il est prévu également, dans une variante de ce premier mode de réalisation de l'invention, visible sur la figure 2, de disposer chaque canne tubulaire 21 dans une partie supérieure 9A du premier conduit 9 qui canalise le flux sortant du foyer 1 vers l'entrée du cyclone de séparation 11. De préférence, dans cette variante, chaque canne tubulaire 21 est disposée à proximité du foyer de combustion 1 pour allonger le temps de séjour jusqu'à l'entrée du flux d'air dans le cyclone de séparation 11 et ainsi renforcer le mélange du réactif injecté avec les oxydes d'azote contenus dans le flux.
D'une manière avantageuse, on dispose plusieurs cannes tubulaires 21 en plusieurs points d'une direction de largeur du foyer de combustion 1 ou du conduit 9 qui est perpendiculaire à la direction longitudinale L1 pour renforcer le mélange avec les oxydes d'azote.
Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, figure 3, chaque canne tubulaire 21 est disposée dans un deuxième conduit 17 formé par une partie supérieure 17A de l'échangeur extérieur 15, où le carbone est élutrié en partie dans les particules provenant du cyclone de séparation 11. La combustion du carbone élutrié s'effectue dans un fort excès d'air au dessus du lit fluidisé dense et produit des oxydes d'azote qui sont réduits par l'injection du réactif. De préférence, dans ce deuxième mode de réalisation, chaque canne tubulaire 21 est disposée par rapport au courant du flux en aval de la zone d'entrée 17B dans le deuxième conduit 17 des particules provenant du cyclone de séparation 11 pour allonger le temps de séjour du réactif, compte tenu du fait que dans cette zone d'entrée 17B, l'élutriation du carbone est importante.
Chaque canne tubulaire 21 comprend, figure 4, au moins une buse d'injection 23. Dans chacun des deux modes de réalisation décrits précédemment, on descend chaque canne tubulaire 21 dans le foyer de combustion, ou dans le premier 9 ou le deuxième conduit 17, sensiblement perpendiculairement à la direction longitudinale L1 ou L2 et en orientant la buse d'injection 23 dans le sens d'écoulement du flux des particules et des gaz pour injecter le réactif suivant la direction longitudinale du conduit et de façon co-courante au flux.
La fixation de chaque canne d'injection 21 dans la partie supérieure du foyer 1 ou du premier 9 ou du deuxième conduit 17 est réalisée au moyen d'une bride 25 qui de préférence permet un déplacement en translation de chaque canne perpendiculairement à la direction longitudinale du conduit pour régler la descente dans le foyer ou dans le conduit en fonction d'une moindre densité en particules dans le flux et ainsi renforcer le mélange du réactif avec les oxydes d'azote.
Il est prévu également de traiter chaque canne tubulaire en surface pour améliorer ses propriétés de tenue à la corrosion. Compte tenu de la température du flux et de la nature abrasive des particules et des gaz, on traite chaque canne en déposant par exemple par plasma, un revêtement de carbure de tungstène ou de carbure de chrome. Pour améliorer la tenue mécanique des cannes, on prévoit également de les refroidir par une circulation d'eau 27. Le réactif est injecté par un canal 29 qui débouche par la buse d'injection 23. Comme réactif, on utilise de l'ammoniac gazeux, ou des gouttelettes d'ammoniaque en solution, ou un précurseur liquide de l'ammoniac comme l'urée en solution, pulsé par de l'air.

Claims (8)

  1. Une chaudière à lit fluidisé circulant, avec avec un foyer de combustion (1) et un cyclone de séparation (11) reliés entre eux par un conduit (9) qui s'étend suivant une direction longitudinale (L1) et qui canalise un flux de particules et de gaz contenant des oxydes d'azote (NOx), et un moyen pour injecter dans le flux un réactif permettant de réduire les oxydes d'azote, caractérisée en ce que ce moyen comprend au moins une première canne tubulaire (21) disposée dans un renfoncement (1C) de la partie supérieure du foyer de combustion qui s'étend au dessus du conduit de façon telle à injecter le réactif suivant la direction longitudinale (L1,L2) du conduit (9,17) et de façon co-courante au flux.
  2. Une chaudière selon la revendication 1, dans laquelle chaque le moyen comprend au moins une seconde canne tubulaire (21) disposée dans la partie supérieure (9A) du conduit (9) à proximité du foyer de combustion (1) pour injecter le réactif de façon co-courante au flux dans le conduit (9).
  3. Une chaudière selon la revendication 1, avec un échangeur extérieur à lit fluidisé dense (15) reliant le cyclone de séparation (11) au foyer de combustion (1) et dont la partie supérieure forme un conduit (17) pour le flux de particules et de gaz qui s'étend suivant une direction longitudinale (L2), dans laquelle le moyen comprend au moins une troisième canne tubulaire (21) disposée dans la partie supérieure (17A) de l'échangeur pour injecter le réactif dans ledit flux.
  4. Une chaudière selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque canne tubulaire (21) comprend au moins une buse d'injection (23) du réactif.
  5. Une chaudière selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle chaque canne tubulaire (21) est mobile suivant une direction sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale (L1,L2) du conduit (9,17).
  6. Une chaudière selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle chaque canne tubulaire (21) comprend un circuit de refroidissement (27) par circulation d'eau.
  7. Une chaudière selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle chaque canne tubulaire (21) comprend un revêtement par plasma de carbure de tungstène ou de carbure de chrome pour résister à l'abrasion du flux.
  8. Une chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réactif est de l'ammoniac gazeux, ou des gouttelettes d'ammoniaque en solution, ou un précurseur liquide de l'ammoniac comme l'urée en solution, pulsé par de l'air.
EP99400288A 1998-02-16 1999-02-09 Chaudière à lit fluidisé circulant à réduction d'oxydes d'azote améliorée Expired - Lifetime EP0936405B1 (fr)

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