FR2682459A1 - Method and devices for decreasing the nitrogen monoxide content of the gases from an oxidising combustion of a fluidised-bed reactor - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé et dispositifs pour diminuer la teneur en protoxyde d'azote des gaz d'une combustion oxydante d'un réacteur à lit fluidisé
ETAT DE L'ART
Les lits fluidisés sont maintenant utilisés dans des centrales thermiques dont la puissance atteint 150 MW électriques et vont donc prendre une importance de plus en plus grande dans la production d'électricité. Les lits fluidisés circulants en particulier ont comme avantage certain de permettre une désulfuration importante supérieure à 90 a et d'être à l'origine d'une production d'oxydes d'azote (NOx) faible de l'ordre de 200 mg/nm3 ou moins (sur une base de référence de fumées sèches contenant 6 % 02). Method and devices for reducing the nitrous oxide content of the gases of an oxidative combustion of a fluidized bed reactor
STATE OF THE ART
Fluidized beds are now used in thermal power plants whose power reaches 150 MW electric and will therefore take on an increasing importance in the production of electricity. Circulating fluidized beds in particular have the definite advantage of allowing significant desulphurization greater than 90 a and of being the source of a low production of nitrogen oxides (NOx) of the order of 200 mg / nm3 or less (on a reference basis of dry smoke containing 6% 02).
Toutefois des mesures récentes ont montré que le lit fluidisé serait aussi à l'origine de la production de protoxyde d'azote (N20) encore appelé gaz hilarant, nuisible pour l'environnement compte tenu notamment de son influence sur la couche d'ozone terrestre. However, recent measurements have shown that the fluidized bed is also at the origin of the production of nitrous oxide (N20) also called laughing gas, harmful for the environment taking into account in particular its influence on the terrestrial ozone layer. .
Ce protoxyde d'azote, qui est pratiquement inexistant dans les centrales thermiques classiques brûlant des combustibles fossibles sous forme pulvérisée, est produit dans un lit fluidisé du fait de la température de combustion aux environs de 850 C, température basse si on la compare à celle existant dans les foyers brûlant du combustible pulvérisé. This nitrous oxide, which is practically nonexistent in conventional thermal power plants burning fossil fuels in pulverized form, is produced in a fluidized bed due to the combustion temperature around 850 C, a low temperature if compared to that existing in homes burning pulverized fuel.
Dans la demande de brevet européen nO 0406185 A2, il est proposé de remonter, par une combustion complémentaire classique, la température des gaz sortant du cyclone d'un lit fluidisé circulant à une valeur comprise entre 900 et 1 1000 C, et de la maintenir à cette valeur pendant un temps pouvant atteindre 5 secondes pour éliminer ce protoxyde d'azote. Ce procédé est cependant à l'origine, dans cette combustion complémentaire, d'une production supplémentaire d'oxydes d'azote et d'oxydes de soufre. In European patent application No. 0406185 A2, it is proposed to raise, by conventional complementary combustion, the temperature of the gases leaving the cyclone of a circulating fluidized bed to a value between 900 and 1 1000 C, and to maintain it at this value for a time up to 5 seconds to remove this nitrous oxide. This process is however at the origin, in this complementary combustion, of an additional production of nitrogen oxides and sulfur oxides.
Un procédé voisin est décrit dans la demande de brevet allemand nO DE 39 33 286 Ai. A similar process is described in German patent application No. DE 39 33 286 Ai.
INVENTION
L'invention est caractérisée par l'injection d'eau ou de vapeur comme un moyen de diminuer la teneur en protoxyde d'azote dans les gaz produits par une combustion oxydante dans un lit fluidisé correspondant à une vitesse des gaz de fluidisation allant du lit fluidisé dense au lit fluidisé circulant. La quantité d'eau ou de vapeur nécessaire pour chaque combustible dépendra de ses caractéristiques chimiques, en particulier ses teneurs en azote, en oxygène et en eau. Cette quantité variera également en fonction de la charge de l'installation.INVENTION
The invention is characterized by the injection of water or steam as a means of reducing the content of nitrous oxide in the gases produced by oxidative combustion in a fluidized bed corresponding to a speed of the fluidizing gases going from the bed dense fluidized in the circulating fluidized bed. The amount of water or vapor required for each fuel will depend on its chemical characteristics, in particular its nitrogen, oxygen and water contents. This amount will also vary depending on the load of the installation.
L'injection d'eau s'effectue
soit dans la partie basse du réacteur sous les introductions du combustible ou également répartie suivant la périphérie d'une section droite du réacteur,
soit dans la gaine de retour du siphon,
soit sous les busettes d'injection de l'arrivée pneumatique de combustible dans le réacteur,
soit autour des cannes d'injection des combustibles liquides ou gazeux.Water injection takes place
either in the lower part of the reactor under the fuel introductions or also distributed along the periphery of a straight section of the reactor,
either in the return duct of the siphon,
either under the injection nozzles of the pneumatic fuel supply to the reactor,
either around the injection pipes for liquid or gaseous fuels.
L'injection de vapeur s'effectue
soit dans la partie basse du réacteur sous les introductions du combustible ou également répartie suivant la périphérie d'une section droite du réacteur,
. soit dans la descente gravitaire de combustible,
soit dans la gaine de retour du siphon du cyclone
soit dans l'injection pneumatique de combustible,
. soit autour des cannes d'injection des combustibles liquides ou gazeux,
. soit dans les busettes d'injection d'air secondaire,
soit dans l'arrivée d'air primaire.Steam injection takes place
either in the lower part of the reactor under the fuel introductions or also distributed along the periphery of a straight section of the reactor,
. either in the gravity descent of fuel,
either in the return duct of the cyclone siphon
either in pneumatic fuel injection,
. either around the injection pipes for liquid or gaseous fuels,
. either in the secondary air injection nozzles,
either in the primary air supply.
L'application de l'invention sera décrite à titre d'exemple plus particulièrement dans le cas d'une chaudière à lit fluidisé circulant. The application of the invention will be described by way of example more particularly in the case of a circulating fluidized bed boiler.
La figure 1 représente un système à lit fluidisé circulant. Figure 1 shows a circulating fluidized bed system.
La figure 2 représente un réacteur à lit fluidisé avec arrivées gravitaires de combustibles dans des gaines de retour des siphons de cyclones. FIG. 2 represents a fluidized bed reactor with gravity feeds of fuels in return ducts of the cyclone traps.
La figure 3 représente un réacteur à lit fluidisé avec arrivées gravitaires de combustible directement dans le réacteur. FIG. 3 represents a fluidized bed reactor with gravity feeds of fuel directly into the reactor.
La figure 4 représente un réacteur à lit fluidisé avec arrivées pneumatiques de combustible. FIG. 4 represents a fluidized bed reactor with pneumatic fuel inlets.
La figure 5 représente un réacteur à lit fluidisé avec arrivées de combustibles liquides ou gazeux sur la périphérie d'une section du réacteur. FIG. 5 represents a fluidized bed reactor with inlets of liquid or gaseous fuels on the periphery of a section of the reactor.
La figure 6 représente un réacteur à lit fluidisé avec injection d'eau ou de vapeur sur la périphérie d'une section du réacteur. FIG. 6 represents a fluidized bed reactor with injection of water or steam on the periphery of a section of the reactor.
La figure 7 représente un réacteur à lit fluidisé avec injection de vapeur dans l'air secondaire. FIG. 7 represents a fluidized bed reactor with injection of steam into the secondary air.
La figure 8 représente un réacteur à lit fluidisé avec injection de la vapeur dans l'air primaire. FIG. 8 represents a fluidized bed reactor with injection of steam into the primary air.
La figure 9 représente un système à lit fluidisé circulant équipé d'un dispositif de réchauffement d'eau d'injection. FIG. 9 represents a circulating fluidized bed system equipped with a device for heating injection water.
La figure 10 représente un dispositif d'injection de vapeur prélevée sur une turbine à vapeur. FIG. 10 represents a device for injecting steam drawn from a steam turbine.
La figure 11 représente un second dispositif d'injection de vapeur. Figure 11 shows a second steam injection device.
La chaudière, sur la figure 1, comporte un réacteur 1 refroidi par des tubes d'eau et de vapeur (non représentés) un cyclone 2, un siphon 3 de réintroduction dans le réacteur des matières recueillies par le cyclone, un ensemble de surfaces d'échange par convection (surchauffeur 4, résurchauffeur 5, économiseur 6), un réchauffeur d'air primaire et secondaire 7, un dépoussiéreur 8, un ventilateur de tirage 9, une cheminée 10, une introduction de combustible 11 ou 11' ou 11", une introduction d'air primaire 12, une grille de fluidisation 13, une introduction d'air secondaire 14, une introduction de matériel inerte de lit 15 et une introduction d'agent réducteur de gaz sulfureux 16. The boiler, in FIG. 1, comprises a reactor 1 cooled by water and steam tubes (not shown) a cyclone 2, a siphon 3 for reintroducing into the reactor materials collected by the cyclone, a set of surfaces d convection exchange (superheater 4, superheater 5, economiser 6), a primary and secondary air heater 7, a dust collector 8, a draft fan 9, a chimney 10, a fuel introduction 11 or 11 'or 11 " , a primary air introduction 12, a fluidization grid 13, a secondary air introduction 14, an introduction of inert bed material 15 and an introduction of sulfurous gas reducing agent 16.
A noter que toute la combustion a lieu dans le réacteur 1 et qu'il n'y a plus de combustion des gaz issus du réacteur 1 dans la suite de leur parcours (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10). Note that all of the combustion takes place in reactor 1 and that there is no more combustion of the gases from reactor 1 after their course (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) .
L'introduction d'un combustible concassé ou broyé peut se faire de plusieurs façons
- soit pneumatiquement (11),
- soit par chute gravitaire (11') dans le réacteur,
- soit par chute gravitaire (11") dans le retour du siphon au réacteur.The introduction of a crushed or crushed fuel can be done in several ways
- either pneumatically (11),
- either by gravity fall (11 ') in the reactor,
- or by gravity fall (11 ") in the return of the siphon to the reactor.
Le schéma d'une chaudière à lit fluidisé dense serait similaire à celui de la figure 1. Toutefois le cyclone 2 pourrait être omis. The diagram of a dense fluidized bed boiler would be similar to that of FIG. 1. However, cyclone 2 could be omitted.
L'introduction d'eau ou de vapeur pour être efficace devra être localisée de façon à ce que la vapeur d'eau soit présente dès le début de la combustion ou de la distillation des matières volatiles du combustible. Sur les figures 2 à 8, sont donnés des exemples d'introduction de combustible et des solutions préférées d'injection d'eau ou de vapeur correspondantes
La figure 2 correspond à une arrivée gravitaire de combustible 11" dans le retour du siphon 3 du cyclone 2 d'un lit fluidisé circulant : la vapeur est introduite dans la descente gravitaire (V 1) ou dans la gaine de retour des matières du siphon 3 (V 2) ; l'eau peut être pulvérisée dans la gaine de retour du siphon 3 (E 2) ou sous l'arrivée de celle-ci dans le réacteur 1 (E 1).To be effective, the introduction of water or steam must be localized so that water vapor is present from the start of combustion or the distillation of volatile matter from the fuel. In FIGS. 2 to 8, examples of fuel introduction and preferred solutions for injecting water or corresponding steam are given.
FIG. 2 corresponds to a gravity supply of fuel 11 "in the return of the siphon 3 of the cyclone 2 of a circulating fluidized bed: the steam is introduced into the gravity descent (V 1) or into the return sheath of the materials of the siphon 3 (V 2); water can be sprayed into the return duct of siphon 3 (E 2) or under the arrival of this in reactor 1 (E 1).
La figure 3 correspondant à une arrivée gravitaire de combustible par une conduite 11' directement dans le réacteur 1 d'un lit fluidisé la vapeur est introduite dans cette descente gravitaire 11' (V 3) ; l'eau peut être pulvérisée sous l'arrivée de cette descente gravitaire 11' dans le réacteur 1 (E 3). FIG. 3 corresponding to a gravity supply of fuel via a line 11 ′ directly into the reactor 1 of a fluidized bed, steam is introduced into this gravity descent 11 ′ (V 3); water can be sprayed under the arrival of this gravity descent 11 'in the reactor 1 (E 3).
La figure 4 correspond à une ou plusieurs arrivées pneumatiques 11 de combustible, dans le réacteur 1 d'un lit fluidisé : la vapeur est introduite directement dans ces arrivées 11 (V 4) ou dans le réacteur en partie basse sous ces arrivées (V 5) ; l'eau sera introduite dans le réacteur sous ces arrivées (E 4). FIG. 4 corresponds to one or more pneumatic fuel inlets 11, in the reactor 1 of a fluidized bed: steam is introduced directly into these inlets 11 (V 4) or into the reactor in the lower part below these inlets (V 5 ); water will be introduced into the reactor under these arrivals (E 4).
La figure 5 correspond à la combustion des combustibles liquides ou gazeux qui sont introduits dans le réacteur d'un lit fluidisé par des cannes 11 réparties sur le périmètre du réacteur : l'eau ou la vapeur sera introduite autour de chaque canne 11 (V 6 ou E 5). FIG. 5 corresponds to the combustion of liquid or gaseous fuels which are introduced into the reactor of a fluidized bed by canes 11 distributed over the perimeter of the reactor: water or steam will be introduced around each cane 11 (V 6 or E 5).
La figure 6 correspond au cas où plusieurs combustibles sont introduits simultanément dans le réacteur d'un lit fluidisé par des méthodes différentes, sans qu'on puisse être certain de leur répartition : dans ce cas, l'eau ou la vapeur est introduite par des cannes d'injection 17 réparties sur la périphérie du réacteur (v 7 ou E 6). FIG. 6 corresponds to the case where several fuels are introduced simultaneously into the reactor of a fluidized bed by different methods, without it being possible to be certain of their distribution: in this case, water or steam is introduced by injection pipes 17 distributed over the periphery of the reactor (v 7 or E 6).
La figure 7 correspond à l'injection de la vapeur dans l'air secondaire (V 8) d'un réacteur d'un lit fluidisé. Figure 7 corresponds to the injection of steam into the secondary air (V 8) of a reactor of a fluidized bed.
La figure 8 correspond à l'introduction de la vapeur par des buses 18 dans l'air primaire (V 9) du réacteur du lit fluidisé celle-ci pouvant se faire également par des buses spéciales mélangées avec celles de l'air primaire et réparties sur toute la grille 13. FIG. 8 corresponds to the introduction of steam by nozzles 18 into the primary air (V 9) of the fluidized bed reactor, this can also be done by special nozzles mixed with those of the primary air and distributed across the grid 13.
Même si les charbons courants exigent beaucoup moins de vapeur d'eau dans leur gaz de combustion que les lignites du fait de leur teneur en azote et en oxygène, il est évident que l'injection d'eau froide dans le réacteur introduit une perte de rendement importante. Even if common coals require much less water vapor in their combustion gases than lignites because of their nitrogen and oxygen content, it is obvious that the injection of cold water into the reactor introduces a loss of significant yield.
Une diminution de cette perte peut être obtenue en réchauffant cette eau avant son introduction dans le réacteur par les fumées en aval du réchauffeur d'air 7, comme représenté sur la figure 9. On prévoit un échangeur E disposé entre le réchauffeur 7 et le dépoussiéreur 8 ou en aval du dépoussiéreur 8. On prévoit également un recyclage d'eau R pour que la température de cette eau à l'entrée dans l'échangeur E soit au-dessus de la température de condensation de la vapeur dans les gaz de combustion. L'eau arrive en 19 et après réchauffage est envoyée en 20 dans le réacteur 1 comme il a été décrit dans les exemples ci-dessus. A reduction in this loss can be obtained by reheating this water before its introduction into the reactor by the fumes downstream of the air heater 7, as shown in FIG. 9. An exchanger E is provided arranged between the heater 7 and the dust collector 8 or downstream of the dust collector 8. Water recycling R is also provided so that the temperature of this water on entering the exchanger E is above the condensation temperature of the vapor in the combustion gases . The water arrives at 19 and after reheating is sent to 20 into the reactor 1 as described in the examples above.
Mais la perte restant encore importante, l'utilisation directe de vapeur injectée dans le réacteur se révèle intéressante
1. Il existe quelquefois dans les usines des réseaux de vapeur basse pression excédentaires où la vapeur a donc un coût très faible.But the loss still being significant, the direct use of steam injected into the reactor proves to be interesting
1. Sometimes there are surplus low pressure steam networks in factories where steam has a very low cost.
2. Dans les centrales thermiques, un prélèvement de vapeur sur un soutirage de la turbine à une pression la plus basse possible mais suffisante pour qu'elle puisse être injectée dans le réacteur à lit fluidisé permet de diminuer de façon importante la perte de rendement correspondant à une injection d'eau froide dans le réacteur. 2. In thermal power plants, a sample of steam from a drawing off of the turbine at the lowest possible pressure but sufficient for it to be injected into the fluidized bed reactor makes it possible to significantly reduce the corresponding loss of efficiency to an injection of cold water into the reactor.
Cette solution correspond à la figure 10 où on a représenté la chaudière K, équipée d'un réacteur à lit fluidisé circulant 1, d'un réchauffeur d'air 7, d'un dépoussiéreur 8, d'un ventilateur de tirage 9 et d'une cheminée 10. La turbine à vapeur est constituée d'un corps HP, d'un corps MP et d'un corps BP, suivie d'un condenseur C, d'une pompe d'extraction PE, des réchauffeurs d'eau basse pression R1, R2, R3, d'un dégazeur R4, d'une pompe d'alimentation PA, d'un réchauffeur haute pression R5, ainsi que les soutirages S1, S2, S3, S4 et S5 alimentant les différents réchauffeurs. La vapeur nécessaire à l'élimination du protoxyde d'azote est prélevée sur le soutirage S3 (les soutirages S1 et
S2 ayant une pression insuffisante) et envoyée par la conduite 20 pour injection dans le réacteur 1 comme décrits aux figures 2 à 8.This solution corresponds to FIG. 10 where the boiler K is represented, equipped with a circulating fluidized bed reactor 1, an air heater 7, a dust collector 8, a draft fan 9 and d 'a chimney 10. The steam turbine consists of an HP body, an MP body and a BP body, followed by a condenser C, a PE extraction pump, water heaters low pressure R1, R2, R3, a degasser R4, a feed pump PA, a high pressure heater R5, as well as the withdrawals S1, S2, S3, S4 and S5 supplying the various heaters. The vapor necessary for the removal of nitrous oxide is taken from the rack S3 (the rackings S1 and
S2 having insufficient pressure) and sent via line 20 for injection into reactor 1 as described in FIGS. 2 to 8.
Ce prélèvement de vapeur sur la turbine entraîne toutefois un inconvénient il correspond à une consommation d'eau déminéralisée importante. On peut pallier cet inconvénient en utilisant le schéma indiqué sur la figure 11 : l'eau nécessaire à l'injection de vapeur dans le réacteur est préalablement réchauffée dans un échangeur E, disposé sur le circuit des gaz de combustion en aval du réchauffeur d'air 7, et passe dans un distillateur G où elle est vaporisée grâce à la chaleur de condensation de la vapeur prélevée sur le soutirage S3 de la turbine et cette vapeur est injectée dans le réacteur 1 par la conduite 21 ; l'eau condensée est récupérée et réintroduite par exemple dans le réchauffeur basse pression R3. This withdrawal of steam from the turbine, however, involves a drawback; it corresponds to a significant consumption of demineralized water. This disadvantage can be overcome by using the diagram shown in Figure 11: the water required for injecting steam into the reactor is previously heated in an exchanger E, arranged on the combustion gas circuit downstream of the heater. air 7, and passes through a still G where it is vaporized by the heat of condensation of the vapor taken from the draw-off S3 of the turbine and this vapor is injected into the reactor 1 via line 21; the condensed water is recovered and reintroduced for example into the low pressure heater R3.
Ce dispositif présente ainsi l'avantage que l'eau d'appoint injectée dans le réacteur sous forme de vapeur basse pression ne nécessite pas une déminéralisation coûteuse mais seulement un éventuel traitement simplifié. Le distillateur a besoin d'être déconcentré par une purge P qui permet de réchauffer l'eau d'appoint injectée en 22 qui, elle-même, est portée - grâce à une recirculation R - à la température suffisante pour être au-dessus de la température de condensation de la vapeur d'eau dans les gaz de combustion de la chaudière. This device thus has the advantage that the make-up water injected into the reactor in the form of low-pressure steam does not require costly demineralization but only possible simplified treatment. The still needs to be deconcentrated by a purge P which makes it possible to heat the make-up water injected at 22 which, itself, is brought - thanks to a recirculation R - to the temperature sufficient to be above the condensation temperature of the water vapor in the boiler combustion gases.
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- 1991-10-09 FR FR9112429A patent/FR2682459B1/en not_active Expired - Fee Related
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FR2682459B1 (en) | 1997-11-21 |
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