FR2644846A1

FR2644846A1 - Dispositif et procede de combustion d'un hydrocarbure a faible teneur en nox, a l'etat sec

Info

Publication number: FR2644846A1
Application number: FR9002882A
Authority: FR
Inventors: Sanjay Marc Correa
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-03-24
Filing date: 1990-03-07
Publication date: 1990-09-28
Also published as: GB2229733A; IT9019796A1; DE4008698A1; DE4008698C2; IT9019796A0; GB2229733B; GB9005868D0; IT1241080B; JPH0317403A

Abstract

On brûle un combustible avec ou sans azote lié ALC dans une machine à haute pression 2, 06 MPa comportant des compresseurs de combustible et d'air 20, 12, une chambre de combustion 16 et une turbine 22 avec un rapport d'équivalence d'environ 2-3 et une température inférieure au seuil de création de NOx thermique. On évite les NOx instantané et ALC grâce au mélange riche, pauvre en O et OH, produisant CO et H2 et peu de CH. La turbine refroidit les produits pour réduire leur température. Les produits refroidis sont mélangés 14 avec l'air restant et brûlés à une température inférieure à la température du seuil NOx thermique à un rapport d'équivalence d'environ 0,6. On peut utiliser des machines autonomes pour les chambres de combustion riche et pauvre, l'air et le combustible étant fournis à la chambre de combustion riche et seul l'air et les produits refroidis de la combustion de la machine riche étant appliqués à la chambre de combustion pauvre. Application aux centrales de production d'énergie.

Description

La présente invention concerne des procédés de combus-

tion d'hydrocarbures et, plus particulièrement, des procédés qui comportent une méthodologie pour réduire les produits de combustion constitués de NOX x On fait beaucoup appel aux procédés de combustion des hydrocarbures dans les systèmes fixes de production d'énergie

à turbine à gaz. On doit réduire le plus possible les sous-

produits de la combustion qui polluent l'atmosphère de manière à satisfaire les exigences relatives à la qualité de l'atmosphère. Par conséquent, il faut que les chambres de combustion pour de tels systèmes à turbine à gaz produisent de faibles quantités d'oxydes nitriques (NO, NO2, N20, etc., qu'on désigne dans leur ensemble par NOx) et de CO. De telles émissions provoquent des pluies acides et autres problèmes d'environnement. Les oxydes NOx peuvent être le résultat de réactions avec l'azote de l'atmosphère, de telles réactions étant désignées par NO "thermique" et "instantané", ou avec x l'azote lié au carburant (ALC). Selon une théorie bien soutenue sur la combustion, les oxydes NOX produits par le mécanisme "thermique" sont dus à la fixation de l'azote de l'atmosphère par les radicaux responsables de l'amorçage et de la propagation de la flamme, comme cela est indiqué par les équations suivantes:

N2 +O=NO+N

- 2 -

N + 02 = NO + 0

N + OH = NO + H

avec le taux net de la réaction donné approximativement par: -i] 7.6 x 100 [N] [O] exp (-38000/T) dt en unités du Système International (S.I.). A cause de la grande énergie d'activation dans le terme exponentiel, le taux de formation de NO n'est pas important au-dessous d'une x température d'environ 1525 C, en tenant compte du terme

descriptif "thermique".

La concentration de certaines espèces de radicaux joue également un rôle important, en particulier aux faibles pressions (de l'ordre de la pression atmosphérique). Les

radicaux peuvent exister dans des concentrations en super-

éauilibre, comme cela est discuté dans un articule de S.M.

Correa et al., ayant pour titre: "Prediction and Measurement of a Nonesuilibrium Turbulent Diffusion Flame," Twentieth (International) Symposium on Combustion, The Combustion Institute, pp. 337-343, 1984", (Prédiction et mesure d'une

flamme de diffusion turbulente en non-équilibre), et augmen-

tent le mécanisme NOx thermique. Comme les réactions de x

consommation des radicaux s'accélèrent aux pressions relati-

vement élevées dans les systèmes de production d'énergie, le degré du superéquilibre et les radicaux en excès résultants sont réduits. On se reportera aux articles suivants pour trouver une autre discussion de la formation de NO thermique X (M.C. Drake et al., "Superequilibrium and Thermal Nitric Oxide Formation in Turbulent Diffusion Flames", Comb. Flame, 69, pp. 347-365, 1987; "Nitric Oxide Formation from Thermal and Fuel-Bound Nitrogen Sources in a Turbulent Non-Premixed Syngas Flame," Twentieth Symposium (Int.) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, PA, 1983-1990, 1984 and S.M. Correa, "NO Formation in Lean Premixed Methane Flames",

x35 Engineering Systems laboratry, 89CRD001, January 1989.

Engineering Systems laboratory, 89CRD001, January 1989.

-3- (Formation d'oxyde nitrique en superéquilibre et thermique dans des flammes à diffusion turbulente; formation d'oxyde nitrique à partir de sources d'azote thermique et lié à un

carburant dans une flamme de gaz synthétique turbulent non-

prémélangé; formation de NOx dans des flammes de méthane

appauvri pré-mélangé).

La prépondérance de NOx thermique dans les chambres de combustion classiques (combustible et air non pré-mélangés), par suite des hautes températures dans les interfaces du mélange turbulent, a conduit à l'injection d'eau ou de vapeur pour contrôler NOx. Dans cette approche, l'eau ou la vapeur injectée absorbe de la chaleur, réduit les températures de pointe (à une valeur inférieure au seuil de formation de NOx) et par conséquent réduit les niveaux des émissions NO x. Les temperatures plus faibles ont l'effet annexe fâcheux de refroidir rapidement les réactions de consommation de CO et par conséquent les niveaux de CO augmentent et la durée de

vie des chambres de combustion et leur efficacité diminuent.

Ainsi, la technique de l'injection d'eau ou de vapeur n'est

pas idéale.

Le NOx instantané est ainsi désigné car il se forme très rapidement (dans des flammes d'hydrocarbures) lorsque l'azote de l'atmosphère est fixé par des radicaux alkyle, par exemple CH, CH2, CH3. Ces derniers se produisent dans la chaine cinétique de combustion des hydrocarbures. L'azote est fixé comme des espèces de cyanure (HCN, CN) qui conduisent à des espèces NHi qui sont finalement oxydées pour donner NOx par les radicaux contenant de l'oxygène. Le mécanisme ne nécessite pas les hautes températures du mécanisme thermique et par conséquent le NOx instantané n'est pas à même d'être contrôlé par une injection d'eau ou de vapeur. Le NOx ALC est très semblable en ce sens que les espèces d'azote liées au combustible sont extraites sous forme d'espèces NHi qui sont oxydées pour donner NO x. ALC se produit, par exemple, dans le charbon, et également dans ce qu'on appelle un gaz "sale" -4- dérivé du charbon. Cependant, le NO instantané ne soulève x-

pas un problème aussi important que ALC. Dans des applica-

tions typiques, le NO ALC peut être de l'ordre de 500 ppm ou x plus, alors que les chambres de combustion (classiques) avec un carburant non- ALC ont 100-300ppm de NO thermique et 10-30 X ppm de NO instantané. Il serait souhaitable de brûler le X combustible sale (ALC) avec moins de 100 ppm de NO et le X

combustion propre avec moins de 10 ppm de NOx.

Les contraintes des centrales de production d'énergie

imposent que la stabilité, le rapport de réduction (c'est-à-

dire les changements d'énergie correspondant à des réductions de la demande) et le rendement soient semblables à ceux d'un équipement courant. Les techniques de contrôle de NO en x l'absence d'injection d'eau ou de vapeur sont désignées par combustion à "sec". On a suggéré deux technique de combustion à sec à faible teneur en NO: (1) la combustion étagée, x riche-appauvrie (destinée à l'origine au controle de NO x thermique et ALC, mais n'ayant pas donné satisfaction pour les raisons discutées ciaprès) et (b) la combustion avec

prémélange appauvri (destinée au contrôle de NO thermique).

X Dans la combustion étagée riche-appauvrie, la chambre de combustion est divisée en une première zone qui est riche (rapport d'équivalence = 1,3 1,8: on remarquera que =1 pour les conditions stoéchiométriques, e >1 étant riche et (0<1 pauvre, et en une seconde zone qui est pauvre. A cause des conditions hors-stoéchiométriques, les températures dans chaque zone sont trop basses pour que NOx (par exemple des températures inférieures à 1525 C) se forme, via le mécanisme "thermique".

Cependant, dans les systèmes étagés de l'art anté-

rieur, le mélange d'air avec l'écoulement de la zone riche se produit à des taux finis et ne peut empêcher la formation de

courants chauds presque stoéchiométriques. Les hautes tempé-

ratures entraînées conduisent à une production importante de NO thermique, laquelle est déclenchée à des températures X - 5 supérieures à environ 1525 C. Cela a été constaté tant en laboratoire que dans des équipements à turbine à gaz (de la classe des 100 MW). Cependant, des chambrs de combustion riches conviennent pour des combustibles ayant une teneur importante en azote lié au combustible car la quantité

d'oxygène disponible pour produire NOx ALC est limitée.

Les chambres de combustion à prémélange pauvre, qui sont utiles si le combustible ne contient pas d'azote, sont alimentées avec un courant de combustible-air prémélangé, appauvri, (prévaporisé, en cas de combustible liquide) à D =0,7. Les températures en résultant sont uniformément trop basses (par exemple inférieures à 1525'C) pour activer le mécanisme NO thermique. Des études cinétiques chimiques x détaillées de deux chambres de combustion de ce type qu'on a effectuées ontconduit à la découverte que la majeure partie du

NO est produite par le mécansime NO "instantané" décrit ci-

x x dessus (on se rappelera que ALC n'est pas présent). Cela forme une limite inférieure pour le NOx minimum qu'on peut obtenir dans des chambres de combustion courantes alimentées en hydrocarbure. Des chambrs de combustion de pointe, que la demanderesse met actuellement au point, ont atteint une barrière apparente de 30-40 ppm de NO (en utilisant du gaz x

naturel propre qui minimise la production totale de NOX).

Cette barrière ne peut être franchie qu'avec une augmentation

du CO et une perte inacceptable de la stabilité de la flamme.

De telles chambres de combustion (pauvres) produisent aussi des niveaux élevés de NOx, ne pouvant être acceptés, à partir d'espèces ALC dans le combustible si des espèces ALC sont présentes. Ainsi, chaque système de la technique antérieure

présente des avantages et des inconvénients.

Selon la présente invention, l'écoulement d'une cham-

bre de combustion riche est refroidi de manière à éviter

l'allumage pendant le mélange jusqu'à des conditions d'appau-

vrissement. L'allumage et la stabilisation de la flamme ne se produisent qu'après établissement du mélange pauvre. Selon un -6- mode de réalisation de l'invention, une partie de l'air est brûlée dans des conditions riches (par exemple, rapport

global d'équivalence, D =2,5-3,0) dans une chambre de pré-

combustion afin de produire un écoulement ayant subi une combustion partielle qui contient CO et H2, qu'on appelle parfois gaz synthétique, et très peu de CH4 (combustible d'origine), CO2 et H20. L'écoulement de gaz chaud-est alors refroidi, à titre d'exemple, par exemple par détente dans une

turbine ou par passage dans un échangeur de chaleur.

L'écoulement gazeux refroidi est alors mélangé avec le reste du courant d'air, sans allumage. L'écoulement pauvre (par

exemple 0 =0,5-0,6) est alors brûlé.

La production de NO est minimisée par suite des x

températures relativement froides dans lés cycles de combus-

tion riches et appauvris, températures qui sont inférieures au nivau établi pour la production de NO thermique. Le NOx instantané est également minimisé car CH dans les cycles pauvres a tendance à &tre négligeable. NO ALC est minimisé X car la chambre de combustion riche fonctionne avec trop peu

d'oxygène pour produire NO.

x

La suite de la description se réfère aux figures

annexées qui représentent respectivement: figure 1, un schéma d'un cycle de combustion selon un mode de réalisation de la présente invention; et figure 2, un schéma d'un cycle de combustion selon un

second mode de réalisation de la présente invention.

En figure 1, on a représenté un dispositif de combustion selon un mode de réalisation de la présente

invention. Dans le dispositif représenté, une machine princi-

pale de combustion 10 comprend un compresseur 12, un mélangeur de gaz 14 et une chambre de combustion primaire 16

dont les produits de la combustion entraînent une turbine 18.

Un dispositif comportant le compresseur 12, le mélangeur 14, la chambre de combustion 16 et la turbine 18 est une machine qu'on trouve dans le commerce, par exemple la machine- dite -7 MS7000 de la société General Electric Company pour entraîner un générateur électrique de la classe des 100 MGW. Une seconde chambre de combustion 20 est accouplée de manière à recevoir 100% du combustible à son entrée, combustible qui est de préférence du méthane, du charbon ou du gaz dérivé du charbon ou un hydrocarbure liquide. La sortie de la chambre

de combustion 20 est appliquée à un étage 22 de refroidisse-

ment de gaz qui peut comporter une turbine ou des tuyères de détente de manière à refroidir le gaz produit par la chambre de combustion 20. L'entrée de la chambre de combustion 20 reçoit X% d'air en provenance du compresseur 12. Le reste de

l'air 100-X% est appliqué au mélange 14 de la machine 10.

La chambre 20 peut avoir une construction identique à celle de la chambre de combustion du générateur à turbine à gaz qu'on trouve dans le commerce sous la forme du modèle LM500 de la société General Electric Company. Mais, le modèle

LM500 comporte un compresseur de combustible et un compres-

seur d'air de manière à comprimer le combustible et l'air fournis à la chambre de combustion 20. Cependant, dans le mode de réalisation de la machine 10, le compresseur d'air n'est pas incorporé car l'air est comprimé via le compresseur 12 et la combustible est comprimé et fourni à l'entrée de la chambre de combustion 20. L'étage de refroidissement 22 peut comporter une turbine telle que celle du générateur de gaz LM500. Cependant, une turbine n'est pas essentielle pour

l'étage de refroidissement du gaz comme on l'a indiqué ci-

dessus. La totalité du combustible est appliquée à la chambre de combustion 20, qui le brûle dans un mélange de combustion riche avec une quantité d'air relativement faible fournie via le compresseur 12. Par exemple, la quantité d'air fournie à la chambre de combustion 20 peut être de 10% de l'air alimentant le mélangeur 14 à partir du compresseur 12. Les

produits de combustion sont appliqués à l'étage de refroidis-

sement 22 alors qu'il se trouve à une température relative-

-8- ment élevée. La température est inférieure à environ 1525 C, valeur à laquelle il y a production de NOx thermique. A cause de la combustion riche, peu d'oxygène est disponible pour le processus de combustion dans la chambre de combustion 20 et sa température ne dépasse pas le seuil auquel il y a

production de NOx thermique. Les caractéristiques relative-

ment riches du processus de combustion ont pour effet de produire peu de O, OH et d'autres radicaux oxydants dans le processus de combustion, minimisant le NO instantané. De x plus, le processus de combustion riche favorise la chimie de

reformage, c'est-à-dire qu'il a tendance à éviter la généra-

tion de produits gazeux de CH; au contraire, il y a génération de produits gazeux comprenant principalement CO et H2. Le mélange de CO et H2 est généralement désigné par gaz synthétique. Les espèces ALC, en cas de présence, sont

transformées en N2 (azote moléculaire).

On pense que le rendement de la combustion dans la chambre de combustion 20 est généralement d'environ 75% et par conséquent environ 25% du combustible dans les produits du gaz synthétique restent imbrûlés. La chambre de combustion , comme elle est relativement riche, fonctionne à un rapport d'équivalence (RE) d'environ 2,5-3. Naturellement, le rapport d'équivalence variera entre le côté tête et la sortie de la chambre de combustion 20. Le rapport d'équivalence à la sortie se trouve dans la gamme indiquée, le côté tête étant plus faible, tout en se trouvant dans les limites de la

stabiité riche. La chambre de combustion 20 est représenta-

tive d'un système plus complexe dans lequel une chambre de

combustion étagée peut être prévue avec davantage de combus-

tible ajouté aux produits d'une zone primaire riche ayant un D d'une valeur égale approximativement à 2. Le combustible

ajouté favorise la chimie de "reformage". Comme la tempéra-

ture est inférieure au seuil pour la génération de NO x thermique, un tel NOx thermique est sensiblement négligeable à la sortie de la chambre de combustion 20. Le processus se

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- 9- produisant dans la chambre de combustion maximalise CO et H2

et la conversion du combustible.

L'étage de refroidissement 22 peut être soit une turbine soit un échangeur de chaleur de manière à refroidir le gaz synthétique chaud produit par la chambre de combustion et fournir l'énergie ou la chaleur requise dans une mise en oeuvre donnée. La sortie d'une telle turbine ou d'un tel échangeur de chaleur permet de refroidir le gaz synthétique jusqu'à une valeur inférieure aux températures d'allumage avant fourniture au mélangeur 14 du système 10. Cette étape

est déterminante.

Selon les principes de la présente invention, le gaz synthétique produit par la chambre de combustion riche 20 comporte un NOx total négligeable à cause de la basse température et du manque d'espèce oxydante. Les espèces ALC sont transformées en N2. Cependant, dans le passage au mélangeur 14, il est important que la température du gaz synthétique soit réduite à une valeur suffisamment basse pour que les températures produites dans le processus du mélange turbulent dans le mélangeur 14 restent au-dessous du seuil de génération de NOx thermique. En l'absence du refroidissement produit par l'étage 22, le gaz synthétique chaud obtenu dans la chambre de combustion 20 lorsqu'il est mélangé à l'air dans le mélangeur 14 pourrait provoquer l'allumage et une flamme dans ce mélangeur et un NOx thermique abondant. Comme il y a peu de composant CH dans le gaz synthétique produit dans la chambre de combustion 20, il y a peu de NO x

instantané dans le dispositif 10.

On notera que les chambres de combustion 16 et 20 comprennent des systèmes de combustion plus complexes, comportant des brûleurs primaires (côté tête) et une addition d'air en aval dans le cas de la chambre de combustion 16,

suivant les pratiques classiques, et une addition de combus-

tible en aval dans le cas de la chambre de combustion 20. Si l'on suppose qu'une chambre de pré-combustion est incluse

- 10 -

dans la chambre de combustion 20, l'étage de refroidissement 22 peut alors comporter un tuyère de réduction de la pression qui augmentera la chute usuelle de pression d'environ 4% qui

est disponible pour le mélange. L'air nécessaire au pré-

mélange dans les conditions appauvries de la chambre de combustion principale est admis via des jets à l'intérieur d'une telle tuyère (non représentée). Avec l'utilisation

d'une tuyère, l'intégration peut s'effectuer car le refroi-

dissement et le pré-mélange peuvent se produire tous deux à l'intérieur de la tuyère. Dans ce cas, le mélangeur 14 serait combiné dans une telle tuyère au mélange se produisant dans la tuyère. Dans le cas contraire, le mélangeur 14 procède au mélange du gaz synthétique refroidi qui se trouve à une température inférieure au seuil de 1525 C pour la génération de NO thermique, et mélange le gaz et l'air à la température

du compresseur, par exemple 315 C.

Le mélange du gaz synthétique avec la plus grande

partie de l'écoulement d'air produit un écoulement pré-

mélangé appauvri ayant un rapport d'équivalence 0 d'environ 0,5 au côté tête de la chambre de combustion 16 et d'environ 0,3 à la sortie. Le processus de mélange dans le mélangeur 14 ou les tuyères (non représentés) a lieu à une température suffisamment basse pour qu'il ne puisse y avoir formation

d'une flamme et de NOx thermique pendant la dilution.

Des quantités relativement négligeables d'hydrocar-

bures sont disponibles au mélangeur 14 car seul l'air provenant du compresseur 12 est ajouté dans le mélangeur 14

au gaz synthétique produit par la chambre de combustion 20.

Par conséquent, très peu de NO instantané est produit dans x la chambre de combustion 16. On peut choisir les points

particuliers du fonctionnement pour les mélangeurs de combus-

tible et d'air et les pressions et températures par des analyses et des variations expérimentales des composants pour une mise en oeuvre donnée. En particulier, on optimise les stoéchiométries des chambres de combustion 16 et 20 pour

- 11 -

produire la puissance maximum à la -turbine 18. On n'a pas représenté une génératrice électrique ou quelqu'autre moyen

d'utilisation accouplé que la turbine 18 entraîne.

Comme la génération d'hydrocarbures et de NO ALC est X minimisée dans la sortie du gaz synthétique ou dans l'étage de refroidissement 22 et étant donné que la génération du NO X thermique est rendue minimale par maintien des températures au-dessous du seuil, le combustible fourni à la chambre de combustion 20 peut comprendre du gaz de charbon, des combustibles liquides et autres types de combustibles avec

une quantité relativement élevée de l'azote lié au combus-

tible. Avec le procédé discuté ci-dessus en liaison avec la figure 1, le fait que les combustibles employés dans la chambre de combustion 20 soient riches en azote n'aura pas d'effet sur les produits résultants dans le gaz synthétique à la sortie de l'étage de refroidissement 22. L'azote dans les

espèces ALC sera transformé en N2.

A titre d'exemple, on peut alimenter la chambre de combustion 20 avec environ 0,2 kg/s. de méthane (CH4) accompagné de 1,2 kg/s d'air. La chambre de combustion 20,

comme on l'a indiqué ci-dessus, a un rapport global d'équiva-

lence d'environ 3. La sortie du gaz synthétique à l'étage de refroidissement 22 comprend approximativement un débit de 0,45 kg/s de monoxyde de carbone plus de l'hydrogène (CO +

H2), le reste étant constitué principalement de N2 (azote).

Cela est combiné avec environ 6,8 kg/s d'air fourni au

mélangeur 14. L'air assurant la dilution et le refroidisse-

ment est fourni à la chambre de combustion 16 à approximati-

vement 3,2 kg/s pour obtenir un rapport d'équivalence e à la sortie en aval d'environ 0,3. Ce processus donne un niveau approximatif de NOx de 5 ppm. On remarquera que les chambres de combustion 20 et 16 sont alimentées en combustible et en air à diverses entrées au côté tête et à des entrées en aval comme avec les chambres de combustion classiques. La chambre de combustion 16 utilise de l'air pour les entrées en aval,

- 12 -

alors que la chambre de combustion 20 emploie du combustible

pour les entrées en aval.

En figure 2, on emploie pour la mise en oeuvre de la présente invention un second mode de réalisation comportant deux machines de combustion autonomes, qu'on trouve dans le

commerce. Un compresseur 200 comprime la totalité de l'hydro-

carbure, tel que le méthane, à une pression d'environ 2,06

MPa et applique le combustible comprimé à un mélangeur 202.

Un compresseur 204 fournit une partie x% de l'air total nécessaire globalement. Le compresseur 204 fournit l'air comprimé à la chambre de combustion 202. La chambre de

combustion 202 est constitué d'une extrémité tête fonction-

nant à proximité de la limite riche avec une addition en aval

de davantage de combustible de manière à obtenir la stoéchio-

métrie requise. A titre d'exemple, x peut être 10% de la quantité totale requise pour l'air. La chambre de combustion 202 brûle le mélange aircombustible et applique les produits brûlés de la combustion à une turbine 206. L'objet de la

turbine 206 est semblable à celui de l'étage de refroidis-

sement 22 de la figure 2 qui procède au refroidissement des gaz de combustion chauds pour produire un gaz synthétique refroidi constitué de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2). Le gaz synthétique refroidiest appliqué à l'entrée d'un mélangeur 208. L'air restant nécessaire est appliqué à un compresseur 210. Par exemple, dans le cas o 10% de l'air sont appliqués au compresseur 204, 90% de l'air nécessaire

pour la combustion globale sont appliqués au compresseur 210.

Le compresseur 210 fournit une pression d'environ 1,03 MPa à l'air appliqué au mélangeur 208. Le mélangeur 208 mélange l'air provenant du compresseur 210 au gaz synthétique refroidi provenant de -la turbine 206. Le gaz refroidi, mélangé, ainsi produit est appliqué à une chambre de combustion 212 dont le gaz chaud produit s'échappe vers une

turbine 214 entrainant une génératrice (non représentée).

Dans un exemple de calcul ayant pour. but de vérifier

- 13 -

le procédé, on fournit au compresseur 200, 0,2 kg/s de méthane comme combustible. Celui-ci est appliqué à la pression atmosphérique à une température ambiante de 15 C. On lui ajoute 0,3% de NH3 (ammoniac). L'ammoniac représente l'azote lié au combustible dans un combustible gazeux obtenu à partir du charbon. On estime à environ 0,9 le rendement du compresseur 200 du combustible. La sortie du compresseur 200

est à une température d'environ 360 C.

Le compresseur 204 comprime 1,14 kg/s de l'air fourni à la pression atmosphérique et à la température ambiante. La sortie du compresseur 204 a une température d'environ 450 C, avec les sorties des deux compresseurs 200 et 204 à une pression d'environ 2,06 MPa. La chambre de combustion 202 mélange le combustible et l'air et brûle la combinaison avec un e d'environ 2,0 au côté tête et de 3,0 à la sortie. La

sortie de la chambre de combustion riche 202 a une tempéra-

ture d'environ 1380 C. On calcule que les produits provenant de la chambre de combustion 202 ont moins de 1 ppm de NOx,

valeur qui augmente avec la diminution du rapport d'équiva-

lence. On estime également qu'il y a environ 750 ppm de NHi,

HCN. Les produits gazeux provenant de la chambre de combus-

tion 202 sont appliqués à la turbine 206 qui fonctionne à un rapport de pression d'environ 2:1, laquelle sert à refroidir les produits gazeux, produisant un gaz synthétique refroidi

dans une conduite 207.

La chambre de combustion 202 brûle un mélange air-

combustible riche auquel on ajoute davantage de combustible dans la zone située en aval de la chambre de combustion. Cela conduit à une réduction des produits initiaux par l'addition en aval du combustible. Ce processus est appelé chimie de "reformage", de sorte que les produits du gaz synthétique dans la conduite 207 sont principalement CO et H2 au lieu du combustible et des produits de combustion. Les émissions de

NO sont faibles dans la conduite 207 à cause des tempéra-

tures relativement basses et de l'absence de radicaux tures relativement basses et de l'absence de radicaux

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oxydants tels que O et OH dans la chambre de combustion 202.

On l'a vérifié dans des expériences en laboratoire et des études cinétiques. La pression de sortie de la turbine 206 dans la conduite 207 est d'environ 1,08 MPa et la température est d'environ 1170 C. Si le rapport d'équivalence du côté tête de la chambre de combustion 202 est trop élevée, la

flamme peut devenir instable dans la chambre de combustion.

Il peut y avoir également une suie excessive car la combinaison du gaz, du combustible et de l'air est trop riche. En outre, il peut y avoir une production excessive de NO car le rapport D est abaissé. Pour cette raison, on préfère que la valeur de O du côté tête de la chambre de combustion 202 soit comprise entre 2 et 2,5, avec une

addition plus importante du combustible en aval.

La chambre de combustion 210 reçoit l'air restant. Cet air est appliqué au compresseur 210 à un débit de 10,3 kg/s., dans le présent exemple, à la temperature ambiante, et à la pression atmosphérique. Le compresseur 210 fonctionne à un rendement de 0,9. La pression de sortie du compresseur 210 est d'environ 1,03 MPa à une température d'environ 315 C. Cet air est mélangé dans le mélangeur 208 avec le gaz synthétique refroidi et appliqué à la chambre de combustion pauvre 212.

La chambre de combustion 212 a un rapport 0 du côté tête d'environ 0,6 et un rapport à la sortie d'environ 0,3. Les produtis de la combustion à la sortie de la chambre 212 sont

à une température d'environ 1015 C, et présentent approxima-

tivement 58 ppm de NOx et moins de 1 ppm de CO. On se rappelera que le combustible contenait ALC (0,3%). La turbine 214 fonctionne avec un rendement supposé de 0,9 et a une température de sortie d'environ 540 C à -une pression de 0,1 MPa. On considère comme excellents les 58 ppm de NOx et moins de 1 ppm de CO produits par la chambre de combustion 212 compte tenu de la combustion du combustible sale contenant 3%

d'ammoniac, combustible appliqué au compresseur 200. Normale-

ment, un tel combustible sale produira des centaines de ppm

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de NOX. Naturellement, des rapports différents du combus-

tible, de l'air et des contaminants du combustible sale tels que ALC donneront des valeurs différentes de la température aux divers stades. On considère comme optimum pour une mise en oeuvre, les 10% d'air appliqués au compresseur 204 et les % d'air appliqués au compresseur 210. La turbine 214 et

alors employée pour faire fonctionner une génératrice élec-

trique ou autre moyen d'utilisation.

la turbine 206 provoque la détente des gaz de sortie de la chambre de combustion et réduit la température du gaz

synthétique à une valeur à laquelle le mélange peut s'effec-

tuer dans le mélangeur 208 sans allumage prématuré. La pression de sortie de la turbine 206 est supérieure à la pression de fonctionnement de la chambre de combustion 212 d'une valeur d'environ 5% (1,08 MPa contre 1,03 MPa) de manière à faciliter le mélange du gaz synthétique provenant de la conduite 207 et de l'air provenant du compresseur 210 pour obtenir un appauvrissement d'ensemble. Les chiffres

indiqués ci-dessus qui concernent les proportions du combus-

tible par rapport à l'air, les rendements des compresseurs et des turbines et les températures approximatives sont basés sur des calculs des divers points de fonctionnement, des émissions et du rendement thermique global. Les diverses hypothèses sont incluses dans les calculs comme on l'a

indiqué.

Le débit total du combustible et le débit d'air sont en harmonie avec les chambres de combustion des machines courantes de production d'énergie. Le calcul du rendement cyclique du mode de réalisation de la figure 2 montre que ce rendement de 30,7% est comparable à celui d'une machine de base comprenant le compresseur 210, le mélangeur 208 et la chambre de combustion 212 avec la même précision dans les calculs, à savoir un rendement cyclique de 30,5%. Une légère augmentation du rendement cyclique est due en partie à l'amélioration directe du cycle de Brayton avec les rapports - 16- de pression indiqués, car la chambre de combustion 202 fonctionne à 2,06 MPa par rapport à 1,63 MPa de la chambre de

combustion 212.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de combustion d'hydrocarbures à faible NO à l'état sec, caractérisé en ce qu'il comprend: x un premier moyen (20) de combustion de combustible pour un hydrocarbure riche à un rapport d'équivalence (RE)

suffisamment supérieur à 1 pour produire des gaz de combus-

tion chauds comprenant sensiblement CO et H2 et une quantité négligeable de NOX; un moyen de refroidissement (22) afin de refroidir les gaz de combustion produits jusqu'à une température au-dessous de laquelle se produisent l'allumage et du NO thermique; et x un second moyen de combustion (16) pour brûler les gaz de combustion refroidis qui sont produits à une valeur RE suffisamment inférieure à 1 pour minimiser la production de

NO et CO.

x

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de refroidissement comprend un moyen de turbine (22) accouplé de manière à être actionné par les gaz

de combustion chauds produits.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de refroidissement comprend un moyen d'échange de chaleur (22) répondant aux gaz chauds produits

de manière à en extraire de la chaleur.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une tuyère accouplée de manière à recevoir les gaz chauds produits pour un refroidissement adiabatique

desdits gaz en provoquant leur détente rapide.

5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier moyen de combustion comprend une première chambre de combustion du combustible avec X% d'air et le second moyen de combustion comprend une seconde chambre de combustion pour brûler les produits gazeux chauds avec Y% d'air, o X + Y = 100 et X est sensiblement inférieur à Y.

6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur RE à la sortie du premier moyen est comprise

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dans la plage allant d'environ 2,0 à 3,0 et la valeur de RE à la sortie du second moyen est comprise entre environ 0,3 et 0,4.

7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen d'utilisation accouplé au second moyen de combustion pour effectuer un travail en réponse à la réception des gaz brûlés refroidis qui sont produits.

8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un compresseur d'air (12) pour comprimer une quantité donnée d'air et un moyen pour fournir une partie de la quantité donnée d'air au premier moyen de combustion (20) et le reste de la quantité donnée d'air au second moyen de combustion (16), la quantité donnée d'air correspondant à une quantité donnée du combustible devant être brûlé par les premier et second moyens dans le but de

produire une valeur globale de RE de 0,3 à 0,4.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (14) de mélange de gaz afin de mélanger les gaz refroidis produits à la partie restante de l'air avant la combustion des gaz refroidis produits.

10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier compresseur (204)

pour comprimer une première partie d'air, un second compres-

seur (200) pour comprimer le combustible, le premier moyen pour brûler le combustible comprimé avec la première partie comprimée d'air, et un troisième compresseur (210) pour comprimer une seconde partie d'air d'une quantité supérieure à la première partie et un moyen de mélange (208) pour mélanger les gaz refroidis produits à la seconde partie d'air

avant la combustion par le second moyen.

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le premier compresseur (204) comprime la première partie d'air à une pression d'environ 2,06 MPa et le second

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compresseur (200) comprime la seconde partie de l'air à une

pression d'environ 1,03 MPa.

12. Dispositif de combustion d'hydrocarbures à faible teneur en NO à l'état sec, caractérisé en ce qu'il comprend: x une chambre de précombustion (20) pour la combustion riche d'un hydrocarbure avec de l'air afin de produire des produits de combustion; un moyen de refroidissement (22) pour refroidir les produits chauds de combustion de la chambre de pré-combustion jusqu'à une température au-dessous de laquelle l'allumage se produit et o du NOx thermique est formé; un moyen de mélange (14) afin de mélanger les produits de combustion refroidis avec de l'air afin de produire un mélange pauvre des produits refroidis et de l'air.; et un moyen de combustion (16) pour brûler le mélange pauvre.

13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de compresseur (12) afin de comprimer au moins l'air avant la combustion dans la

chambre de pré-combustion et dans le moyen de combustion.

14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de compresseur afin de comprimer l'air et un moyen pour fournir une partie de l'air comprimé à la chambre de pré- combustion et la partie restante

de l'air comprimé au moyen de combustion.

15. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un premier moyen de compresseur pour comprimer le combustible et l'air fourni à la chambre de pré-combustion et un second moyen de compresseur pour comprimer l'air et pour fournir cet air comprimé au moyen de mélange.

16. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le moyen de refroidissement comporte une turbine

(22) afin de recevoir les gaz de combustion chauds produits.

17. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé

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en ce qu'il comprend en outre une turbine répondant au

mélange pauvre brûlé qui est appliqué comme entrée.

18. Procédé de combustion d'un hydrocarbure à faible teneur en NOx, à l'état sec, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: combustion riche du combustible avec de l'air afin de produire des gaz de combustion chauds; refroidissement des gaz chauds produits jusqu'à une température inférieure à la valeur à laquelle l'allumage se produit et o du NOx thermique est formé; mélange des gaz chauds refroidis avec de l'air de manière à produire un mélange appauvri de gaz chauds et d'air et;

combustion du mélange.

19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape de compression de l'air

avant la combustion riche et avant le mélange.

20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape de compression du

combustible avant la combustion riche.

21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de compression d'une première partie de l'air avant la combustion riche et l'étape de compression d'une second partie de l'air avant le mélange, o la première partie est comprimée à une pression supérieure à celle de la seconde partie et o les première et seconde

parties représentent 100% de l'air global nécessaire.