FR2488678A1

FR2488678A1 - Procede et appareil de combustion pour diminuer sensiblement l'emission de composes de l'azote formes pendant la combustion

Info

Publication number: FR2488678A1
Application number: FR8114355A
Authority: FR
Inventors: Owen Wood Dykema
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1980-08-14
Filing date: 1981-07-23
Publication date: 1982-02-19
Also published as: JPS5760105A; FR2488678B1; JPS645204B2; IT8149050A0; AU7335881A; IT1143219B; GB2082314B; US4427362A; DE3132224A1; CA1166949A; GB2082314A; DE3132224C2; AU541515B2

Abstract

PROCEDE ET APPAREIL POUR DIMINUER SENSIBLEMENT LES EMISSIONS DES COMPOSES DE L'AZOTE, COMME NO, FORMES PENDANT LA COMBUSTION D'UN COMBUSTIBLE. INTRODUIT EN 12 DANS L'APPAREIL 10, LE COMBUSTIBLE BRULE DANS UNE PREMIERE ZONE 16 AVEC UN GAZ CONTENANT ENVIRON 45 A 75 DE LA QUANTITE TOTALE DE O NECESSAIRE POUR UNE COMBUSTION COMPLETE. LE MELANGE DU COMBUSTIBLE ET DES PRODUITS DE COMBUSTION, AVEC NO, EST MAINTENU A 1800K AU MOINS, ASSEZ LONGTEMPS POUR REDUIRE A UN TAUX VOULU LA TENEUR EN NO DU MELANGE. LA COMBUSTION PEUT ENSUITE S'ACHEVER DANS AU MOINS UNE ZONE SUPPLEMENTAIRE 20, ENTRE ENVIRON 1600 ET 2000K, AVEC INTRODUCTION 22, 24 D'UN SUPPLEMENT D'AIR. EN VARIANTE, LE MELANGE DES PRODUITS DE COMBUSTION ET DU COMBUSTIBLE, A TENEUR REDUITE EN NO, PEUT SERVIR A D'AUTRES APPLICATIONS SANS COMBUSTION COMPLEMENTAIRE.

Description

La présente invention concerne la combustion de combustibles de manière à

obtenir le minimum d'émission des oxydes de l'azote. Elle concerne en particulier la combustion

sensiblement complète de combustibles carbonés et hydrocar-

bonés, contenant de l'azote liée au combustible, de manière à obtenir une émission sensiblement réduite de NO x Au cours des quelques années passées on s'est de

plus en plus intéressé aux problèmes immédiats et à long ter-

me résultant de la pollution toujours croissante de l'atmos-

phère. Ce souci s'est accompagné de la prise de conscience à tous les niveaux du fait qu'il faut prendre des mesures pour arrêter la pollution croissante et, si cela est possible,

pour diminuer les niveaux actuels de pollution. Doncles mi-

lieux industriels et d'affaires, ainsi que les agences gouver-

nementales, consacrent actuellement beaucoup d'effort et d'ar-

gent au développement de normes et-de mesures en vue d'empê-

cher toute décharge importante supplémentaire de matières pol-

luantes dans l'atmosphère. Parmi les matières polluantes con-

cernées, il y a les divers oxydes de l'azote (NO x) présents

dans les gaz résiduaires déchargés par de nombreuses instal-

lations chimiques et de raffinage de métaux, comme dans les installations de production de l'acide nitrique, et dans les gaz des carneaux des centrales de production de l'électricité

par la combustion de combustibles fossiles. Une forme prédo-

minante d'oxyde de l'azote est l'oxyde nitrique (NO). C'est un gaz incolore qui, lorsqu'il est libéré à l'atmosphère, vient au contact de l'oxygène et peut réagir avec lui pour former du bioxyde d'azote (NO2) ou l'un quelconque des nombreux

autres oxydes de l'azote. Le bioxyde d'azote est un gaz jaune-

brun connu pour être toxique aussi bien pour la vie animale

que pour la vie végétale.

Les oxydes de l'azote (NO X) se forment pendant la combustion de combustibles carbonés ou hydrocarbonés de l'une des deux façons suivantes. Les oxydes de l'azote peuvent

se former par un mécanisme thermique se produisant à des tem-

pératures élevées entre l'azote et l'oxygène contenus dans l'air de combustion (NOX thermiques) ou bien les oxydes NOX

peuvent provenir de l'oxydation des composés azotés se trou-

vant dans le combustible (ce que l'on appelle l'azote lié au combustible). Jusqu'à présent, le principal effort a visé à éviter la formation d'un oxyde d'azote par voie thermique, et l'on cite dans la littérature divers procédés tendant à inhi-

ber ou à éviter une telle formation.

Dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 4 050 877, il est proposé d'utiliser un règlage de la température pour réduire la quantité des oxydes d'azote formés par voie

thermique. Selon la technique qui y est décrite, du combus-

tible est brûlé dans une chambre de combustion primaire avec moins que la quantité d'air nécessaire pour une combustion complète, de sorte que les gaz de combustion formés ont une haute teneur en monoxyde de carbone et en hydrocarbures et la température de ces gaz formés est maintenue au desssous de celle à laquelle des quantités importantes d'oxydes de l'azote risquent de se produire. Les gaz de combustion passent ensuite à travers une zone de combustion secondaire dans laquelle un supplément d'air est injecté dans le courant gazeux pour oxyder

le CO et les hydrocarbures en du bioxyde de carbone (gaz car-

bonique) et de l'eau. Le brûleur secondaire comprend plusieurs tubes perforés à travers lesquels de l'air secondaire est introduit. La combustion dans la zone secondaire est également maintenue à une température inférieure à celle à laquelle du

NO thermique va se produire en des quantités importantes.

Des techniques semblables pour minimiser la quantité des oxydes

d'azote formés par voie thermique sont décrites dans les bre-

vets des Etats Unis d'Amérique no 3 837 788; 3 955 909 et

4 013 399.

Il a été également suggéré que l'on peut éviter la formation des oxydes de l'azote par un mélange soigné du combustible et de l'air. Ainsi, de nombreux procédés ont été proposés en vue de tenter d'obtenir un mélange sensiblement uniforme pendant la combustion du combustible et de l'air sans formation des oxydes de l'azote. Par exemple, il a été suggéré de faire tourbillonner l'air et/ou le combustible autour de la chambre de combustion ou de les y injecter tangentiellement etc.. pour obtenir un mélange uniforme et éviter la création

de tous points chauds localisés risquant d'aboutir à la for-

mation thermique d'oxydes de l'azote. Des exemples typiques de telles techniques, qui utilisent dans certains cas aussi un réglage de la température, se trouvent dans les brevets des Etats Unis d'Amérique nos 3 820 320; 3 826 077; 3 826 079;

4 007 001 et 4 054 028. Cependant, si un mélange parfait, no-

tamment de l'air avec des combustibles solides ou liquides, constitue un but intéressant, ce mélange est difficile sinon impossible à réaliser. Le combustible solide ou liquide doit tout d'abord être gazéifié pour pouvoir se mélanger et réagir avec l'air de combustion. Puisque le combustible solide ou liquide n'a pas commencé à se gazéifier ou à se vaporiser lors du premier contact avec l'-air de combustion, le rapport air! combustible gazeux commence initialement à une valeur infinie et diminue jusqu'au rapport global air/combustible à mesure que la gazéification ou vaporisation se poursuit, ce qui crée inévitablement ce que l'on appelle des points chauds. Ainsi, aucune des techniques reposant sur un mélange uniforme n'a été entièrement couronnée de succès dans l'élimination des

oxydes de l'azote des produits de combustion.

D'autres brevets concernant des combinaisons de réglage ou maîtrise de la température et du mélange, avec introduction de l'air de combustion en de multiples stades, sont les brevets des Etats Unis d'Amérique no 4 060 376 etnc

4 060 378. Ces brevets suggèrent que l'on peut éviter la for-

mation des NOX thermiques en maintenant la température au dessous d'environ 1 400'C; cependant, il faut se rendre compte qu'en retirant suffisamment de chaleur pour maintenir

la température à de tels niveaux faibles, on nuit au rende-

ment du dispositif de combustion et aux coefficients de trans-

mission de chaleur à travers, par exemple, un tube à eau de chaudière. En outre, les émissions du monoxyde de carbone et de fragments de carbone et d'un autre combustible n'ayant pas

brûlé peuvent être également élevées.

Il a également été suggéré dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 4 144 017 qu'une combinaison d'un

réglage de la température et d'un réglage du rapport combus-

tible/ air pour brûler le combustible dans des fours reliés

en série peut constituer un moyen efficace d'inhiber la for-

mation des NO. Cependant, ce brevet, comme de nombreux autres, se fonde sur un mélange uniforme pour éviter la formation de points chauds localisés provoquant une production des NO thermiques. Il a également été suggéré d'introduire certains

additifs dans la zone de combustion. Ces additifs se décompo-

seront dans l'environnement de la combustion pour former des matières réductrices qui réagiront avec les oxydes de l'azote pour les réduire et former de l'azote. Les additifs suggérés

comprennent les formiates et oxalates de fer, magnésium, cal-

cium, manganèse et zinc> notamment. En plus de sa complexité, un inconvénient évident de ce procédé faisant appel à des additifs serait le prix des additifs suggérés et qui doivent être injectés dans la zone de combustion. On connait également la réduction de l'oxyde nitrique par du monoxyde de carbone sur

un catalyseur consistant en divers oxydes de métaux.

On comprendra qu'aucun des procédés examinés

ci-dessus et tendant à diminuer la formation des oxydes d'a-

zote ne concerne spécifiquement la diminution de la formation

des oxydes d'azote provenant de l'azote fixé au combustible.

Au contraire, ils visent principalement à empêcher la forma-

tien des oxydes d'azote obtenus par voie thermique. On a tou-

jours besoin d'un procédé et d'un appareil de combustion de combustibles pouvant sensiblement éliminer les oxydes d'azote provenant de l'une ou l'autre source (par, voie thermique ou azote fixé à du combustible] dans les produits de combustion,

et qui ne reposent pas sur l'obtention d'une uniformité par-

faite du mélange du combustible et de l'air et n'exigent pas l'injection d'additifs onéreux dans la zone de combustion ou n'impliquent pas l'épuration subséquente des produits de

combustion à l'aide d'agents d'absorption.

La présente invention propose donc un procédé et

un appareil utilisant une ou plusieurs zones pour la combus-

tion de combustiblesde manière que des quantités minimales s de NO soient présentes dans les produits de combustion que x

l'on obtient. La pratique de la présente invention permet ef-

ficacement de maîtriser l'émission des oxydes d'azote formés par voie thermique aussi bien que des oxydes d'azote formés à partir des composés azotés contenus dans le combustible et

qui sont libérés pendant la combustion.

Une caractéristiques très importante de l'inven-

tion réside dans la façon dont on réalise la maîtrise des NOx

en utilisant une ou plusieurs zones de combustion. Contraire-

ment à d'autres approches tendant à maîtriser les NOX et qui essaient de prévenir, d'inhiber ou d'éviter la formation des

NO x principalement en maintenant des températures de combus-

tion relativement basses, on accepte dans la présente inven-

tion la formation de quantités importantes de composés de l'azotecomme NO x NH3 et HCN. Cependant, en établissant et en maintenant certains paramètres de la stoechiométrie air/

combustible et de température élevée, on obtient que les quantités éven-

tuellement importantes de NO. (et d'autres composés inopportuns de l'azote) formés pendant la combustion initiale soient en

suréquilibre, c'est-à-dire au dessus des faibles concentra-

tions de NOx à l'équilibre pour ces paramètres; or les réac-

tions qui conduisent à la réduction des NOx se déroulent bien plus rapidement que celles conduisant à leur formation. Donc, la réaction nette produit une décomposition ou destruction de NOX, ce qui tend à diminuerles concentrations des NOx pour les ramener aux concentrations d'équilibre. Ainsi, en opérant dans une bande spécifiée de stoechiométrie riche en combustible et en maintenant une haute température souhaitée d'au moins

1 8000K pendant assez longtemps dans une première zone de com-

bustion, qui joue le rôle d'une zone de décomposition des com-

posés de l'azote, on peut théoriquement réduire à une valeur

essentiellement nulle la teneur en NOx des produits de combus-

tion ( ainsi que la teneur en NH3 et HCN). La combustion du

combustible peut être achevée dans une ou plusieurs zones sub-

séquentes, ou bien les gaz de combustion, à teneur réduire en NO et qui sortent de cette zone de décomposition des composés x

de l'azote,peuvent servir directement à d'autres applications.

La présente invention se fonde sur la reconnais-

sante du fait qu'il est essentiellement impossible de réali-

ser un mélange poussé et instantané de l'air de combustion avec le combustible (notamment des combustibles solides ou liquides), et que l'on aura des régions localisées à haute température entraînant des vitesses rapides de formation de NOx. Ainsi, on s'attend à la présence d'un taux initial élevé de NOx dans la zone de combustion. Selon la présente invention,

on utilise ensuite des caractéristiques spécifiques de stoe-

chiométrie de combustion, de duréesde séjour et de hautes tem-

pératures bien supérieures à celles supposées jusqu'à présent

convenir pour l'obtention de faibles émissions.de NOX non seu-

lement pour éviter une formation supplémentaire de NO mais pour réaliser la décomposition ou la destruction des NOx déjà

formés au cours des stades initiaux de combustion.

Selon la présente invention, on introduit dans

la première zone de combustion un combustible et un gaz con-

tenant de l'oxygène (comburant), de façon appropriée et de préférence de l'air, cet air étant introduit en une quantité fournissant environ 45 % à 75 %, et de préférence environ 50 %

à 65 %, de l'oxygène nécessaire pour - une combustion com-

plète du combustible; le mélange combustible/air/ réagit pour former des produits de combustion comportant des composés de l'azote; et l'on maintient le mélange-résultant du combustible et des produits de combustion à une température d'au moins 1 800'K et de préférence d'environ 1 850 à 2-5000K pendant

un temps suffisant pour réduire d'une quantité voulue la con-

centration des composés de l'azote afin de former surtout de l'azote gazeux élémentaire. Les températures comprises entre environ 2 0000 et 2 5000K conviennent particulièrement bien

et sont préférées.

Pour la plupart des applications, on souhaite une combustion complète du combustible afin d'en obtenir le maximum de chaleur.Dans de tels cas, on fait passer le mélange du combustible et des produits de combustion provenant de la

première zone de combustion dans une ou plusieurs zones sub-

séquentes de combustion, la température dans ces zones sub-

séquentes étant pendaft ce temps maintenue de préférence entre

environ 1 600 et 2 000 K,cependant que l'on introduit suf-

fisamment d'air supplémentaire pour fournir de 100 % à envi-

ron 120 % de la quantité stoechiométrique totale nécessaire pour une combustion complète du combustible. Il a été également trouvé que certaines matières

peuvent être introduites sous forme particulaire dans la pre-

mière zone de combustion, ce qui va sensiblement accélérer la vitesse de décomposition des NOx et autres composés de l'azote pour produire de l'azote moléculaire. Un avantage particulier de la présente invention réside dans le fait que nombre de ces matières additives sont naturellement présentes dans les combustibles dont elles constituent des parties génératrices

de cendres.

L'invention sera maintenant décrite plus en détail en regard des dessins annexés présentés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels:

la figure 1 est un graphique montrant les concen-

trations à l'équilibre de plusieurs composés majeurs de l'azote (en ordonnées) en fonction du rapport stoechiométrique combustible Cen abscisses, de 0 à 1,2),;

la figure 2 est un graphique montrant la concen-

tration à l'équilibre des NOx (en ppm, en ordonnées) en fonc-

tion du rapport stoechiométrique air/combustible (en abscisses,

de 0,4 à 0,9) pour différentes températures de l'air de com-

bustion;

la figure 3 est une vue en perspective d'un bru-

leur à deux zones utilisé pour la mise en pratique de la pré-

sente invention; et la figure 4 est une coupe schématique le long de

la ligne 4-4, du brûleur de la figure 3.

Dans ses aspects les plus larges, la présente

invention propose un procédé ainsi qu'un appareil pour l'oxy-

dation partielle ou complète d'un combustible dans une ou plu-

sieurs zones de combustion avec une émission minimale, ou sen-

siblement réduite, des composés de l'aZote qui se forment nor-

malement pendant la combustion. Contrairement aux procédés et appareils antérieurement connus, la présente invention n'exige

pas un mélange uniforme au cours du stade initial de combus-

tion pour empêcher la formation des oxydes de l'azote. De plus, il n'est pas nécessaire de maintenir une basse température pendant ce stade initial de la combustion. En fait, on préfère, selon la présente inventiondes températures élevées dans la zone de combustion initiale, ce qui aboutit à la formation

initiale de quantités importantes de composés de l'azote.

La présente invention sera maintenant particuliè-

rement décrite à propos de ses aspects préférés impliquant l'oxydation complète d'un combustible, comme du charbon, dans

plusieurs zones avec une émission sensiblement réduite d'oxy-

des de l'azote.

On voit sur la figure 1 un graphique montrant les

concentrations à l'équilibre (en ordonnées) de plusieurs com-

posés majeurs de l'azote qui se forment d'ordinaire au cours de la combustion, en fonction du rapport stoechiométrique

air/combustible (en abscisses). Dans une certaine bande étroi-

te du rapport stoechiométrique, les concentrations importantes de ces composés de l'azote qui sont éventuellement présentes le sont en état de suréquilibre. Plus précisément, selon la présente invention, on introduit, généralement à la pression atmosphérique, un combustible et un gaz oxydant tel que l'air - dans une première zone de combustion, l'air de combustion étant introduit-en une quantité fournissant environ 45 % à 75 % de

la quantité stoechiométriquement nécessaire pour une oxyda-

tion complète du combustible et de préférence en une quantité représentant de 50 % à 65 % du total nécessaire. Le mélange

combustible-air réagit, et l'on maintient les produits de com-

bustion contenant NO et d'autres composés de l'azote à une température d'au-moins 1 8000K assez longtemps pour permettre l'abaissement de laconcentration des composés de l'azote jusqu'auxfaiblestaux ou niveaux à l'équilibre voulus pour ces composés. En regardant la figure 1, on voit qu'il est possible

d'obtenir une réduction sensiblement totale de tous les compo-

sés de l'azote en azote élémentaire cependant, dans de nom-

breux cas, une telle réduction complète peut ne pas être néces-

saire ou souhaitable. Puisque le faible taux de concentration obtenu est, notamment, fonction de la température et de la durée de séjour, pour minimiser la longueur de la zone de combustion nécessaire pour obtenir une telle durée de séjour ou pour éviter la nécessité d'utiliser des températures excessivement

élevées, il peut s'avérer souhaitable de laisser demeurer quel-

ques composés résiduels de l'azote.

La figure 2 montre un graphique présentant la concentration des NOx à l'équilibre (en parties par million ou millionièmes, ppm, en ordonnées)en fonction du rapport

stoechiométrique air/combustible pour trois températures dif-

férentes de l'air de combustion. La ligne horizontale, en trait mixte, indique le taux initial de NO. On peut noter que des taux élevés de NOX peuvent se former dans la phase initiale de la combustion parce que la totalité du combustible

-n'a pas été gazéifiée et/ou mélangée à l'air, et que le rap-

port air/combustible gazeux et les taux de NOx à l'équilibre seront élevés. Les NOx peuvent être formés dans cette phase de combustion initiale par le mécanisme thermiq-ue,mais plus

particulièrement par transformation de l'azote fixé au com-

bustible. Cependant, lorsque le rapport stoechiométrique voulu, riche en combustible est établi, les concentrations des NOX

à l'équilibre atteignent de très faibles valeurs pour ce rap-

port stoechiométrique voulu. En maintenant une température

d'au moins 1 800'K au rapport stoechiométrique-voulu, on pro-

voque la décomposition ou destruction rapide des NO X, ces

réactions de décomposition des NOX visant à diminuer la con-

centration des composés de type NOx en suréquilibre pour par-

venir à leurs faibles concentrations à l'équilibre pour le

rapport stoechiométrique voulu. On voit qu'à ces faibles con-

centrations à l'équilibre, des différences de température de

l'air de combustion ont un effet peu important sur la concen-

tration des NOx L'influence du rapport stoechiométrique, de la température de combustion et de la pression dans la pratique de la présente invention, se reflète dans la durée de séjour nécessaire pour réduire rapidement les composés de l'azote 1 0 formés au cours de la combustion initiale, et dans le faible taux minimal de concentration à l'équilibre que l'on peut

obtenir pour les NO. Pendant les réactions initiales de com-

bustion, il se produit une combinaison complexe de processus de gazéification, de mélange, de combustion dans de larges

gammes du rapport stoechiométrique, de recyclage et de forma-

tion des NOX par transformation de l'azote fixé au combustible et par le mécanisme thermique. Ainsi, les taux initiaux de NOX ne peuvent être prédits à partir de principes préexistants mais doivent être déterminés expérimentalement. En général, pour des combustibles du type charbon, ces taux initiaux de NO semblent n'être que légèrement inférieurs à ceux mesurés x pour la combustion du charbon lorsqu'on ne s'efforce pas de maîtriser les émissions de NOxi c'est-à-dire qu'ils se situent 15. à environ 500 à 700 millionièmes. Le temps nécessaire à la combustion initiale n'est pas considéré comme faisant partie de la durée de séjour nécessaire pour la destruction des NOx et, en fait, cette combustion initiale peut être effectuée dans une zone ou étape antérieure de combustion. Elle peut aussi être associée dans certains cas à une étape antérieure d'enlèvement des oxydes du soufre. Le temps nécessaire pour achever la destruction voulue des NOX est donc déterminé par

le taux initial donné de NO, le taux final voulu et la vi-

tesse moyenne de destruction-des NO entre ces taux.

En général, la vitesse de destruction des NOX en suréquilibre peut se modeler en fonction de la vitesse nette des réactions chimiques individuelles impliquées et de la différence entre les taux réel et à l'équilibre des NO x dans les conditions établies de rapport stoechiométrique et

de températures élevées. La gamme limitée du rapport stoechio-

métrique riche en combustible est établie en vue d'obtenir de très faibles taux de NOx à l'équilibre. Non seulement cela

assure le maximum de différence entre les taux réel et à l'é-

quilibre, afin de rendre maximale la vitesse de destruction; mais cela permet également d'obtenir de faibles taux minimum de NO x La température agit principalement sur la vitesse de destruction par son effet exponentiel très intense sur la

vitesse des réactions chimiques impliquées, mais la tempéra-

ture exerce également un effet relativement fort sur les taux de NOx à l'équilibre. Avec les très faibles taux de NO xà l'équilibre que l'on établitpar suite du rapport stoechiomé-

trique riche en combustible, cependant, des variations de tem-

pératures atteignant même plusieurs centaines de degrés Kelvin,

dont l'effet risque bien de doubler ou tripler la concentra-

tion à l'équilibre, provoquent encore des variations du taux à l'équilibre qui sont faibles en comparaison de la différence entre les taux moyens réels et les taux à l'équilibre et très

faibles en comparaison du fort effet exponentiel sur les vi-

tesses de réactions chimiques impliquées.

Les effets ci-dessus sont illustrés sur la fi-

gure 2, qui montre l'effet du rapport stoechiométrique air/ combustible Cen abscisses.de 0,4 à 0,9) sur les concentrations

des NO à l'équilibre Cen ppm -, en ordonnées) pour différen-

x

tes températures de l'air de combustion. Cette figure 2 illus-

tre le cas exemplaire de la combustion d'une huile lourde brute avec de l' air préchauffé à diverses températures. Dans la gamme des rapports stoechiométriques intéressants, les

variations des températures de combustion résultantes repré-

sentent environ 90 % des variations de la température de l'air de combustion. Pour un rapport stoechiométrique de 0,8, la figure 2 montre qu'en augmentant la température de l'air de combustion pour la faire passer de la température ambiante (2980K, 150C) à 6440K (371'C), soit une augmentation de 3460K, on augmente le taux des NO à l'équilibre qui passe de 230 millionièmes à plus de 1 000 millionièmes. Il est clair que, dans cette gamme du rapport stoechiométrique, et du point de vue de la maîtrise des NO x, les températures de combustion devraient être aussi faibles que possible. C'est ce genre de raisonnement qui a conduit une grande partie de l'art antérieur concernant la maîtrise des NOx à proposer diverses techniques pour minimiser la température initiale de combustion-et pour

la diminuer encore aussi rapidement que possible. La base gé-

nérale de ce raisonnement consiste en l'hypothèse de l'art 1 2 antérieur selon laquelle on obtient la meilleure maîtrise des NO en empêchant ou inhibant la formation des NOx Dans cette hypothèse, il faut maîtriser la formation des NOx on souhaite

donc pouvoir obtenir des taux de concentration de NOx au des-

sous de l'équilibre. Pour y parvenir, il faut de faibles tem-

pératures de combustion, comme on le voit dans l'art antérieur concernant la maîtrise des NOx Cependant, une caractéristique de la présente invention consiste en l'observation et en l'admission du fait qu'il est essentiellement impossible d'empêcher la formation

de taux excessivement élevés de NO dans la combustion ini-

tiale, et que ces taux élevés de NOx existeront bien. Ainsi, on n'utilise pas ici de basses températures de combustion pour tenter d'empêcher la formation de ces concentrations élevées initiales en NO. En outre, on n'utilise pas de basses températures de combustion pour tenter d'obtenir de faibles

taux de NO à l'équilibre. Selon la présente invention desti-

née à réaliser de très faibles taux des émissions de NOx,

cette grande quantité initialedes NOx formés doit être essen-

tiellement détruite. Pour y parvenir on utilise des tempéra-

tures élevées de combustion et des rapports stoechiométriques spécifiques air/combustible afin d'accélérer cette destruction Cependant, ces conditions spécifiques de stoechiométrie de la

combustion doivent être établies pour cette région de déstruc-

tion des NOx afin que les hautes températures de combustion que l'on utilise n'aboutissent également pas à des taux élevés

de NOx à l'équilibre. La Figure 2 montre que, avec des rap-

ports stoechiométriques inférieurs à environ 0,6, les taux de

NOx à l'équilibre sont si faibles que des températures éle-

vées de l'air de combustion ont encore pour effet d'aboutir à de très faibles taux de NOx à l'équilibre. Par exemple, pour

un rapport stoechiométrique de 0,55, les taux de NOx à l'équi-

libre sont inférieurs à 10 millionièmes, quelles que soient les températures de préchauffage et de combustion. Donc, une augmentation de 3460K de la température de préchauffage de l'air (environ 310aK d'augmentation de la température de com bustion) aboutit à une variation du taux de NOx à l'équilibre de moins de 10 millionièmes, ce qui est faible en comparaison 1 3

d'un taux initial possible de NOx de 500 à 700 millionièmes.

Ainsi, sur la plupart de la période de destruc-

tion des NO x dans la gamme choisie pour les rapports stoechio- métriques, on peut considérer que la différence entre les taux réelet

àl'équilibre des NOx est essentiellement indépendante

de la température de combustion. L'effet restant de la tempé-

rature est alors la très forte augmentation exponentielle de

la vitesse de destruction des NOx lorsque la température aug-

mente par suite de l'effet exercé par la température sur la vitesse des réactions chimiques impliquées. Selon la présente

invention, donc, on désire des températures maximales de com-

bustion pour rendre maximale la vitesse de destruction des

NOX d'origine ce qui, à son tour, raccourcit la durée néces-

saire de séjour dans ces conditions et donne un brûleur ou dispositif de combustion court, compact et pratique. Si l'on oésire des émissions extrêmement faibles en NOx, telles que

les taux réels de NOx commencent à se rapprocher de l'équi-

libre à ces températures élevées, les gaz peuvent être refroi-

dis ensuite jusqu'à une température non inférieure à 1 800'K pour obtenir une réduction supplémentaires des NOX par un

abaissement supplémentaire de leur taux à l'équilibre.

Comme noté ci-dessus, la durée de séjour néces-

* saire pour une destruction complète des NOx jusqu'au taux vou-

lu à l'équilibre est inversement proportionnelle et exponen-

tiellement liée à la température maintenue dans la zone de

décomposition des composés de l'azote, et est également fonc-

tion du rapport stoechiométrique riche en combustible présent, des taux de concentration initiale des NO que l'on établit, et des taux de concentration finale des NOx à l'équilibre que l'on souhaite, ainsi que de la configuration physique de la zone de décomposition. Ainsi, pour certaines applications et certains paramètres des conditions de réaction, des durées de séjour aussi faibles que 5 à 10 millisecondes peuvent suffire alors que, pour d'autres applications, des durées de séjour

aussi élevées que 5 à 10 secondes peuvent s'avérer nécessaires.

Ainsi, pour des températures dans la première zone de réaction

comprises entre environ 1 850 et 2 5000K, on utilise d'ordi-

1 4

naire des durées de séjour comprises entre 10 et 200 millise-

condes. En général, pour des conditions typiques de réaction dans la zone de décomposition d'environ 2 0000K, d'un rapport stoechiométrique air/combustible d'environ 0,6, d'un taux initial de concentration des NO d'environ 500 millionièmes x et d'un taux final de concentration de 30 millionièmes,- on utilisera habituellement des durées de séjour comprises entre

et 60 millisecondes.

Des calculs des conditions à l'équilibre et la

mise au point d'un modèle cinétique représentant le fonction-

nement du dispositif de combustion ont montré que l'effet de la pression sur le temps nécessaire pour la destruction des NOx est faible. Les réactions prédominantes dans l'équilibre des NO x, dans des mélanges riches en combustible, sont toutes

équimolaires, sauf les réactions de dissociation des gaz élé-

mentaires. Le degré de dissociation est réduit aux fortes pressions directement par l'effet de la pression, mais cela

est presque contrebalancé par la légère augmentation de tempé-

rature provenant de la forte pression. Des calculs de ce qui se produit à l'équilibre pour du charbon No 6 de l'Illinois

brûlé avec 60 % de l'air stoechiométriquement nécessaire mon-

trent qu'en augmentant la pression par un facteur de 6 on ne

diminue le taux des NOx à l'équilibre que d'un facteur de 2.

Puisque les réactions prédominantes impliquées dans la vitesse de destruction des NOx sont toutes équimolaires, la pression ne doit donc pas exercer un effet important sur la vitesse de destruction. L'effet prédominant de la pression s'exerce dans

la zone de combustion initiale et sur la vitesse de gazéifi-

cation des particules du combustible solide ou liquide. Pour

ce processus, la durée de séjour est inversement proportion-

nelle à la pression. Cet effet de la pression est bien connu et l'on en tient compte dans les lois de similitude de la pression. D'autre part, il n'est pas nécessaire que cette zone de gazéification et de combustion initiales fasse partie de la zone de destruction des NO et, en fait. ces opérations peuvent se réaliser dans une zone ou étape de combustion -antérieure. Puisque la durée de séjour pour une gazéification

est plus courte aux fortes pressions, des pressions supérieu-

res semblent préférables et l'on peut utiliser des pressions

égales ou supérieures à 20 bars. Cependant, l'énergie néces-

saire pour comprimer l'air de combustion aux pressions supé-

rieures a souvent un prix prohibitif, sauf dans certains sys-

tèmes de combustion spécialement conçus. Donc, on préfère normalement une combustion atmosphérique. Pour un système à cycles combinés dans lequel un cycle de turbine à gaz est

suvi d'un cycle de Rankine, on préfère d'ordinaire des pres-

sions supérieures se situant à environ 6 bars.

La demanderesse ne connaît pas avec certitude les mécanismes sous-jacents exacts impliqués dans la réduction

des composés de l'azote dans la pratique de la présente inven-

tien, et elle ne souhaite pas se lier par une explication théo-

rique quelconque de tels mécanismes. Cependant, l'explication suivante est offerte comme constituant un mécanisme possible, notamment en ce qui concerne la réduction de l'oxyde nitrique

dans le cadre de la gamme des rapports stoechiométriques re-

vendiqués ici. Les équations suivantes sont présentées à titre d'exemple de mécanismes possibles de réduction Constante de Mlécanisme vitesse à 2000K I. NO + N > N 0 2 x 1013

2

II. NO + H > N + OH 5 x 10 III. NO + O > N + 02 2 x 10

On reconnaitra les réactions ci-dessus comme cons-

tituant les mécanismes de Zeldovich dans le cas des NOX d'ori-

gine thermique, tels qu'ils sont modifiés pour mieux décrire les réactions de réduction des NOX dans un environnement riche

en combustible.

Il ressort des équations ci-dessus que la réaction I est très rapide,mais limitée par la disponibilité de N qui ne peut provenir que des réactions présentées sous la forme des réactions II et III. Cependant, on comprendra également qu'au cours de la combustion d'un combustible, dans des conditions 1 6 d'un environnement riche en combustible, la concentration en

hydrogène sera normalement supérieure de 2 à 3 ordres de gran-

deur à celle de l'oxygène, par exemple, à une température d'environ 2 000 K. Ainsi, la réduction de l'oxyde nitrique par la réaction II sera environ 6 à 7 fois plus rapide que par la réaction III. Donc, la réaction qui règle la vitesse de destruction de l'oxyde nitrique sera problablement celle dont

la réaction II constitue un exemple.

Des observations expérimentales ont indiqués

qu'une réduction importante des oxydes de l'azote ne se pro-

duit que dans le cadre des rapports stoechiométriques enseignés ci-dessus et pour lesquels des concentrations importantes en oxyde nitrique sont en suréquilibre. Il a en outre été observé que la vitesse de la réduction de l'oxyde nitrique est plus

grande lorsque les concentrations en hydrogène sont élevées.

En outre, il a été observé que la vitesse de réduction de l'oxyde nitrique est plus grande aux fortes températures. De même, en se fondant sur le déroulement des réactions ci-dessus, on peut estimer que la vitesse de réduction des oxydes de l'azote est plus grande lorsque les concentrations de OH et de l'oxygène sont

faibles, ce qui limite la vitesse d'une réaction inverse.

En plus des oxydes de l'azote formés au cours de la combustion initiale dans des zones à haute température

riches en oxygène (composés thermiques de l'azote) et prove-

nant de la transformation dn NO de l'azote fixé au combustible,

il peut se former des composés comme HCN. Le mécanisme proba-

ble pour une réduction de ce composé est présenté dans les réactions suivantes: Constante de vitesse à 2 00O0K IV. HCN + OH >j CN + H 0 5 x 101

2 12

V. CN + O CO- + N 1 x 10

On voit que les mécanismes théoriques de réduc-

tion ci-dessus sont extrêmement rapides et, en outre, qu'ils forment du monoxyde de carbone et N. ce dernier constituant un élément essentiel pour le mécanisme théorique de destruction des oxydes de l'azote indiqué dans la réaction I. En outre, le monoxyde de carbone formé va réagir avec les radicaux OH éventuellement disponibles selon la réaction suivante CO + OH > Co2 + H Cette réaction est également très rapide et elle enlève les radicaux OH qui pourraient permettre une inversion de la réduction voulue des NOx (réaction II) et elle engendre

également des atomes de H qui accélèrent la réduction des oxy-

des de l'azote par la réaction II. En fait; il a été observé

que la vitesse de réduction des oxydes de l'azote est ampli-

fiée par de fortes concentrations en monoxyde de carbone.

En plus des réactions possibles ci-dessus, il a également été observé que certains solides amplifient encore

la vitesse de réduction des oxydes de l'azote. Plus précisé-

ment, des matières carbonées comme la suie,du charbon et du

coke amplifient la vitesse de réduction. Des matières cérami-

ques ou réfractaires inertes sont citées comme ayant un effet similaire. Le mécanisme précis n'est pas connu; ainsi, ces matières peuvent jouer le rôle de catalyseur ou participer d'une certaine façon inconnue à la réaction ou à une réaction intermédiaire. En plus des composés ci-dessus, d'autres dont on a observé qu'ils amplifient la réduction des oxydes de l'azote sont des composés du fer, comme des sulfures et des oxydes de fer: les composés du calcium, comme du sulfure de calcium et de l'oxyde de calcium; et diverses combinaisons de ces matières..En particulier, on a observé que les composés

du fer, comme du sulfure de fer, et du coke de pétrole ampli-

fient grandement la réduction des composés de l'azote en de l'azote élémentaire dans la plage des conditions de rapport stoechiométrique et de température que l'on décrit ici. Ainsi,

lorsque l'on désire minimiser la longueur de la zone de com-

bustion et obtenir encore une quantité voulue de réduction des composés de l'azote en une durée de séjour spécifiée, on fait avantageusement appel à l'addition de l'une quelconque ou de plusieurs des matières ci- dessus. Les additifs particulièrement préférés sont du coke et les composés du fer, en raison de ce

qu'ils amplifient davantage la vitesse de réduction des com-

posés de l'azote, et la suie ainsi que la cendre volante du charbon en raison de leur présence dans de nombreux produits de combustion de ces combustibles.En plus des composés ci-dessus, on connait en pratique de nombreuses autres matières qui sont des catalyseurs bien établis pour les réactions affectant les composés de l'azote, et l'on peut s'attendre à ce que l'une

quelconque de ces matières catalytiques puisse- avantageuse-

ment être utilisée selon la présente invention.

La figure 3 montre une vue globale en perspective

d'un ensemble de brûleur selon la présente invention. La fi-

gure 4 montre une coupe de cet emsemble de brûleur 10. Les

termes "brûleur" ou "ensemble de brûleur" servent ici à dési-

gner un dispositif qui réunit le combustible et l'air, les

mélange pour former un mélange combustible et achève partiel-

lement la combustion pour obtenir la composition voulue de produits de combustion. Bien que ce ne soit pas constamment l'usage général, le terme "br leurn est généralement considéré comme désignant principalement la partie d'un dispositif de combustion qui réunit le combustible et l'air et prépare le mélange pour la combustion (par exemple un bec ou brûleur Bunsen), cependant que l'expression "dispositif de combustion" est généralement considérée comme désignant le brûleur.plus la partie du dispositif au sein de laquelle la combustion

est achevée (par exemple un dispositif ou une chambre de com-

bustion d'une turbine à gaz). Des termes comme 'four", "chau-

dière" et "bouilleur' sont généralement considérés comme en-

globant non seulement le dispositif ou la chambre de combus-

tion mais aussi diverses utilisations finales de la chaleur de combustion, dont aucune n'est considérée comme constituant

des caractéristiques spécifiques de la présente invention.

La présente invention concerne le réglage de la combustion, au degré nécessaire pour parvenir à de faibles émissions de NJO dans des applications très diverses. Il n'est XI nécessaire dans aucune application de contenir la combustion au sein du dispositif construit pour atteindre ce but jusqu'à 1 9 ce que la combustion se soit achevée, c'est-à-dire jusqu'à ce que toutes les espèces chimiques aient été transformées pour parvenir à leur plus faible niveau d'énergie. Dans certaines applications, les produits de combustion voulus peuvent en - fait être les gaz riches en combustible et qui résultent d'une com- bustion partielle. Pour ces raisons et parce que l'appareil remarquable mis au point pour la pratique du présent procédé

de combustion est destiné à remplacer des dispositifs et appa-

reils généralement désignés comme étant des brûleurs, on doit

considérer en gros que le terme "brûleur" tel qu'il est appli-

qué ici, désigne un tel appareil.

En considérant la figure 4, on voit que du com-

bustible est introduit dans le brûleur 10 par une admission 12.

La présente invention est applicable à des combustibles très divers qui contiennent de l'azote fixé au combustible, en plus de ceux qui n'en contiennent pas. Ainsi, la présente invention est applicable à des combustibles sensiblement purs comme le

méthane, le butane, le propane, etc., ainsi qu'à divers pro-

duits pétroliers, notamment de l'essence, du kérosène, des

mazouts, des combustibles pour moteursOiesel, ce que l'on ap-

pelle les fuels ou combustibles pour soute, ainsi que du pé-

trole brut, des résidus de pétroles et divers autres sous-

produits du pétrole pouvant contenir diverses quantité d'azote.

En outre, la présente invention est également applicable à

des combustibles normalement solides, ce qui comprend de l'as-

phalte, du charbon, des goudrons de houille, de l'huile de schiste, du lignite, du bois et même des déchets combustibles organiques ou urbains. De tels combustibles solides, notamment du charbon, sont d'ordinaire envoyés au brûleur en phase dense ou en phase diluée à l'aide d'un gaz porteur, généralement l'air, bien qu'on puisse utiliser aussi un gaz inerte comme l'azote ou du gaz de carneau recyclé. L'air éventuellement présent dans le gaz porteur sera inclus comme faisant partie de l'air stoechiométriquementnécessaire pour la combustion du combustible. L'appareil représenté à titre d'exemple sur les figures 3 et 4 est considéré comme approprié à la combustion

d'un combustible solide comme du charbon.

On introduit également dans le brûleur 10, par une entrée 14, une source d'oxygène comme l'air, de l'oxygène

élémentaire pur, de l'air enrichi en oxygène, etc. Générale-

ment, on préfère utiliser de l'air pour des questions de ren-

tabilité. L'air et le combustible se mélangent l'un à l'autre

et réagissent dans une première zone de combustion 16. Un élé-

ment essentiel de la présente invention réside, bien entendu,

dans l'introduction de l'air et du combustible en des quanti-

tés assurant la présence d'environ 45 % à 75 %-de la quantité

d'air stoechiométrique (ce qui comprend tout l'air éventuel-

lement présent dans le gaz porteur) nécessaire pour une oxy-

dation complète du combustible et, en outre il faut mainte-

nir la température des produits de combustion formés à une

valeur d'au moins 1 8000K assez longtemps pour obtenir la ré-

duction souhaitée des composés de l'azote. Avantageusement, la température est maintenue au moins à environ 20000K dans la zone de combustion 16. Il n'y a pas de limite supérieure particulière pour la température, sauf ce qui est dicté par

des raisons économiques et par les caractéristiques des maté-

riaux de construction. Des températions élevées augmentent la vitesse de réduction et permettent d'utiliser une zone plus

courte de combustion pour obtenir la quantité voulue de réduc-

tion des composés de l'azote. Cependant, la disponibilité et

le prix des matériaux capables de supporter de telles tempé-

ratures élevées peuvent contrebalancer les avantages que l'on

en obtient. Donc, on préfère généralement maintenir la tempé-

rature entre environ 1 8500 et 2 500'K, des températures com-

prises entre environ 2 000 et 2 5000K étant considérées comme convenant particulièrement bien et étant préférées. Même dans

cette gamme de températures, il peut s'avérer nécessaire d'as-

surer une protection des parois de la zone de combustion 16, par exemple en incluant un revêtement ou chemisage céramique 18. Diverses matières réfractaires céramiques minérales comme du silicium, du silicate de zirconium ou zircon, de l'oxyde de zirconium,

-!e l- magnésite, de la dolomite, de l'alumine et du carbure de sili-

cium, peuvent convenir.

Selon une forme de réalisation particulièrement préférée, l'air introduit par l'entrée 14 est de préférence préchauffé jusqu'à une température d'environ 5000 à 800K

pour maintenir la température voulue dans la zone de combus-

tion 16. nn envoie cet air préchauffé circuler en rela-

tion d'échange de chaleur avec la zone de combustion 16 avant

d'entrer dans cette zone. Ainsi, cet air préchauffé sert éga-

lement à isoler les surfaces externes du brûleur 10 des hau-

tes températures présentes dans la zone 16. Cependant, de

nombreux procédés équivalents pour chauffer la zone 16 appa-

raitront facilement à l'homme de l'art. Pour réaliser des éco-

nomies, de nombreux dispositifs de combustion, comme des chau-

dières, préchauffent normalement l'air de combustion par échan-

ge de chaleur avec les gaz brûlés quittant le dispositif, En

variante, on peut utiliser des éléments de chauffage électri-

que ou d'autres types d'échange indirect de chaleur pour

maintenir la température voulue.

Les produits de combustion quittent la zone de combustion 16 et entrent dans au moins une seconde zone de combustion 20. Dans la zone de combustion 20, un supplément d'air de combustion est fourni par une entrée 22. Cet air de

combustion entre dans la zone de combustion 20 par un ou plu-

sieurs conduits 24. Une caractéristique essentielle du régime de la température pour cette zone de combustion 20 consiste en le maintien de la température au-dessous de celle à laquelle

des quantités importantes de NO thermiques vont se former.

Cependant, cet aspect de la combustion secondaire est connu

de l'homme de l'art. Ainsi, en maintenant la température au-

dessous de 2 0000K environ, et de préférence entre environ 1 600 et 2 000K, on obtient une combustion essentiellement

complète du combustible en une ou plusieurs étapes-sans for-

mer de composés supplémentaires de l'azote.

Lorsqu'on utilise des températures élevées dans la première zone de combustion, il peut s'avérer nécessaire

de refroidir les produits de combustion quittant cette pre-

mière zone avant d'introduire l'air supplémentaire de combus-

tion dans les zones subséquentes de combustion. On peut y parvenir de diverses façons connues de l'homme de l'art. Par exemple, on peut refroidir les gaz en les faisant passer en

relation d'échange indirect de chaleur avec un fluide de refroi-

dissement introduit par une entrée 26 du brûleur 10. En outre

ou en variante, un fluide de refroidissement peut être intro-

duit directement par des ajutages 28 dans les gaz chauds. De plus, l'air de combustion introduit par l'entrée 22 peut être refroidi et dilué par un gaz inerte comme du gaz de carneau

recyclé et destiné à absorber de la chaleur, ou un gaz analo-

gue. Ces techniques et de nombreuses autres apparaîtront aisér

ment à l'homme de l'art.

Lorsque les produits gazeux chauds de combustion

quittent le brûleur et que la quantité voulue d'énergie ther-

mique a été ensuite extraite de ces produits de combustion, les gaz peuvent facilement être déchargés à l'atmosphère avec peu ou pas d'effet de pollution. Plus précisément, il est possible selon la présente invention de brûler sensiblement n'importe quel combustible, généralement des combustibles

fossiles, et de décharger un produit ou gaz résiduaire conte-

nant moins de 50 millionièmes d'oxydes de l'azote. La présente invention a pour avantage particulier de proposer un brûleur relativement compact qui convient pour la réadaptation d'une chaudière auxiliaire et d'autres installations existantes dans lesquelles on brûle des combustibles principalement pour

produire de la chaleur.

Les exemples suivants sont destinés à illustrer

encore plus les avantages et l'application de la présente in-

vention, mais ils ne doivent pas être considérés comme en li-

mitant le cadre ou la portée.

Exemple 1

Le présent exemple montre l'application de la

présente invention à la combustion du charbon. Plus précisé-

ment, on utilise du charbon no 6 de l'Illinois, ayant la com-

position suivante

ANALYSE FINALE -

(sur base sèche, % en poids) Carbone 72,75 Hydrogène 4,83 Azote 1,18 Chlore 0,40 Soufre 1,85 Cendre 9,74 Oxygène (par différence) 9,26

On introduit Le charbon dans une zone de combus-

tion d'un brûleur semblable à ce qui est représenté sur la figure 4. On introduit le charbon à raison d'environ 0,16 kg par seconde. On introduit également dans la zone de combustion de l'air préchauffé, à la température d'environ 6160K (3430C), à raison de 0,73 kg par seconde pour fournir environ 51 % de la quantité stoechiométrique totale d'air nécessaire pour une combustion complète du charbon. Dans cet exemple, bien que ce ne soit pas une condition imposée par l'invention, la pression à laquelle on brûle partiellement le charbon est voisine de ,8 bars. On maintient à environ 1 8110K (environ 1 5380C), le produit de combustion. On prélève- des échantillons de gaz dans

la zone de combustion près du point d'introduction du combus-

tible et de l'air et aussi en un point situé approximativement à 1,8 m en aval. On analyse la teneur des échantillons en NO,

et l'on trouve que les valeurs moyennes sont de 690 millioniè-

mes au point d'introduction et de 44 millionièmes à 1,8 m en aval. Ainsi, on peut voir que lorsque l'on se maintient

dans les conditions ici revendiquées, il se produit une dimi-

nution importante de la teneur en oxydes de l'azote. En fait, en un intervalle de temps d'environ 40 millisecondes, environ

94 % des oxydes d'azote formés au cours de la combustion ini-

tiale sont réduits en azote moléculaire. De plus, on compren! dra que dans des conditions rendues encore plus optimales, une réduction sensiblement complète de tous les oxydes de l'azote s'avère vraisemblablement possible. Cependant, même selon cet exemple 1, on voit que la teneur moyenne en oxydes de l'azote n'est que d'environ 44 millionièmes. Après dilution avec l'air supplémentaire de combustion, on peut s'attendre à ce que les

gaz affluents présentent une teneur en oxydes de l'azote infé-

rieure à 25 millionièmes, ce qui est nettement inférieur aux exigences concernant le maximum tolérable pour l'émission des oxydes de l'azote dans la plupart des applications. Ainsi, le

présent exemple montre nettement l'utilité de l'invention pro-

posée.

Exemple 2.

On effectue une série d'essais de présélection

pour déterminer l'effet des additifs sur la réduction des oxy-

des de l'azote selon la présente invention. On monte un brû-

leur à l'échelle du laboratoire, dans lequel on produit la combustion partielle du gaz naturel et de l'air en utilisant

une proportion d'air comprise entre 45 et 75 % de l'air stoe-

chiométriquement nécessaire pour une combustion complète. On ajoute de l'oxyde nitrique au mélange air/combustible. On introduit divers additifs particulaires dans les produits chauds

2U de combustion immédiatement en aval de la zone de combustion.

On mesure la teneur en oxydes de l'azote immédiatement près

du front de flamme et en aval du point d'injection de la ma-

tiere particulaire. Il s'avère à partir de ces essais que les constituants des cendres du charbon N0 6 de l'Illinois (Etats

Unis d'Amérique) assurent une diminution importante de la te-

neur en oxydes de l'azote,bien que la température n'ait pas été assez élevée pour qu'on puisse s'attendre à une diminution

importante quelconque.

Des essais effectués également sur de l'oxyde de calcium ont montré que celui-ci diminue la teneur en oxydes

d'azote lorsqu'on se situe à l'intérieur de la gamme ici dé-

crite pour le rapport stoechiométrique et la température. On note la diminution la plus importante de la teneur en oxydes d'azote lorsqu'on utilise des particules de sulfure de fer et de coke de pétrole. Donc,les composés du fer et notamment du sulfure de fer, formés artificiellement ou à l'état-de produits naturels, comme de la'pyrite de fer, et des matières charbonneuses comme du coke, constituent des additifs préférés à utiliser selon la

présente invention.

La description et les exemples ci-dessus illus-

trent une forme spécifique de mise en oeuvre de l'invention S et ce que l'on considère actuellement comme la meilleure façon

pour la mettre en pratique. L'homme de l'art comprendra cepen-

dant que l'on peut apporter diverses modifications au procédé et à l'appareil décrits et représentés sans sortir du cadre large de l'invention. Plus précisément, alors que l'invention a été notamment décrite à propos d'une certaine forme préférée de réalisation mettant en oeuvre deux zones de combustion, il apparait facilement que l'on peut utiliser de multiples zones de combustion. Dans certains cas, il peut s'avérer souhaitable de faire partiellement brûler le combustible dans

une première zone de réaction en utilisant un rapport stoe-

chiométrique air/combustible inférieur à celui indiqué ci-

dessus [45 % à 75 %) avant d'utiliser le rapport sto.chionié-

trique et les températures (au moins 1 8000K) précités. De.

plus, la combustion finale peut s'effectuer dans une seule seconde zone, comme décrit ici. Bien entendu et en variante, l'air pour la combustion finale peut être introduit dans des zones multiples. Bien entendu, il entre dans le cadre de la présente invention que la zone de combustion finale soit, par

exemple, la boîte à feu d'une chaudière dans laquelle la cha-

leur est retirée par les tubes pendant l'addition de l'air de combustionfinale.De plus, il entre dans le cadre de la présente invention d'introduire d'autres additifs dans les zones de combustion décrites ou dans des zones précédentes de combustion pour enlever d'autres matières polluantes comme des composés du soufre, du chlore ou des matières semblables, si de telles matières sont présentes et si un tel enlèvement

est souhaité.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour diminuer sensiblement l'émission

des composés de l'azote formés pendant la combustion d'un com-

bustible, procédé selon lequel un combustible est au moins partiellement brûlé avec de l'oxygène et avec formation de

composés de l'azote pendant la combustion initiale du combus-

tible, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on introduit ce combustible et un gaz contenant de l'oxygène dans une zone de décomposition des composés de l'azote afin d'y former un mélange combustible, en introduisant l'oxygène en une quantité constituant environ 45 à 75 % de la quantité stoechiométrique totale nécessaire pour une combustion complète du combustible; on fait réagir ce mélange combustible pour former des produits de combustion comportant des composés de l'azote; on maintient

le mélange résultant du combustible et des produits de combus-

tion à une température d'au moins.1 8000K assez longtemps pour

réduire à un taux voulu la teneur de ce mélange en des compo-

sés de l'azote; et l'on décharge ce mélange présentant une

teneur nettement diminuée en composés de l'azote.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on maintient la température dans une gamme comprise

entre environ 1850 et 2 500 K et en ce qu'on introduit l'o-

xygène en une quantité constituant environ 50 % à 65 % de la

quantité sto chiométrique totale.

3. Procédé pour réduire sensiblement les émissions

des oxydes d'azote formés au cours de la combustion d'un com-

bustible, caractérisé en ce qué.l'on introduit le combustible

dans une première-zone de combustion dans laquelle on intro-

duit également de l'air de combustion dont on provoque le mé-

lange avec le combustible pour une réaction en vue de former des produits de combustion comportant des oxydes de l'azote, l'air étant introduit en une quantité constituant environ 45 % à 75 % de la quantité stoechiométrique totale d'air nécessaire pour une combustion complète du combustible; on maintient le

mélange résultant de combustible et des produits de combus-

tion à une température d'au moins 1 8000K.assez longtemps pour réduire à un taux voulu la teneur en oxydes de l'azote: on

fait passer ce mélange dans au moins une seconde zone de com-

bustion; et l'on maintient ce mélange à une température infé-

rieure à environ 2 000 K tout en achevant la réaction par l'introduction d'une quantité supplémentaire d'air fournissant de 100 % à environ 120 % de la quantité sto chiométrique to-

tale nécessaire pour une combustion complète du combustible.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé

en ce qu'on maintient entre environ 1 850 et 2500'K la tempé-

rature régnant dans la première zone de combustion.

5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé

en ce que la température régnant dans la première zone de com-

bustion est d'au moins 2 0000K et en ce qu'on maintient la température régnant dans la seconde zone de combustion entre

environ 1 6000 et 2 0000K.

6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on introduit dans la première zone de réaction -une

matière particulaire finement dispersée pour amplifier la vi-

tesse de réduction des composés de l'azote éventuellement con-

tenus dans cette zone.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matière particulaire est choisie parmi du sulfure de fer, de l'oxyde de fer, du carbone, du sulfure de calcium, de l'oxyde de calcium, et un de leurs mélanges;

8. Procédé selon la revendication 3, caractérisé

en ce qu'on maintient les produits de combustion dans la pre-

mière zone à une température comprise entre environ 1 850 et

2 500'K pendant un temps compris entre environ 10 et 200 mil-

lisecondes.

9. Appareil pour brûler un mélange de combusti-

ble et d'air avec des émissions sensiblement réduites en oxy-

des de l'azote, caractérisé en ce qu'il comporte: un ensemble de brûleur (10) comportant au moins des première (16) et seconde (20) zones de combustion communiquant l'une avec l'autre, la première zone de combustion (16) ayant une longueur suffisante pour y assurer une durée de séjour voulue du mélange combustible-air: une admission (12) destinée à l'introduction du combustible dans ladite première zone (16), une entrée d'air (14) destinée à l'introduction de l'air de combustion dans la première zone (16), l'admission (12) du combustible et l'entrée (14) de l'air étant disposées de manière assurer le mélange du combustible et de l'air lors de leur introduction dans la première zone (16); un dispositif destiné à réguler l'introduction de l'air de combustion de manière à introduire environ 45 % à 75 % de la quantité stoechiométrique totale d'air dans la première zone de combustion (16); un dispositif destiné à maintenir dans cette première zone (16) la température au moins à 1 800'K; un dispositif (22, 24) destiné à introduire dans la seconde zone de combustion (20) un supplément d'air de combustion;

un dispositif destiné à réguler le supplément d'air de com-

bustion de manière à introduire dans la seconde zone (20) un

supplément d'air représentant 25 % à 75 % de la quantité stoe-

chiométrique totale d'air; un dispositif destiné à réguler la température régnant dans la seconde zone (20) afin de maintenir la température entre environ 1 600 et 2 000 K pendant l'addition du supplément d'air de combustion; et un dispositif destiné à réguler la quantité totale d'air de

combustion alimentant lesdites première (16) et au moins se-

conde (20) zones de combustion afin de maintenir la quantité totale d'air de combustion fournie entre 100 % et environ % de l'air stoechiométriquement total nécessaire pour une

combustion complète du combustible.

10. Appareil selon la revendication 9, caracté-

risé en ce que la première zone de combustion (16) comporte

un chemisage en matière céramique (18).

11. Appareil selon la revendication 9, caracté-

risé en ce que le dispositif destiné à maintenir la tempéra-

ture dans la première zone de combustion (16) maintient la

température entre environ 1 850 et 2 500'K.

12. Appareil selon la revendication 9, caracté-

risé en ce qu'il comporte également un dispositif destiné à introduire de la matière particulaire solide dans la première

zone de combustion (16).