EP2864704A1 - Procédé pour conduire la combustion dans un four afin de limiter la production d'oxydes d'azote, et installation pour la mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents

Procédé pour conduire la combustion dans un four afin de limiter la production d'oxydes d'azote, et installation pour la mise en oeuvre de ce procédé

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EP2864704A1
EP2864704A1 EP13759015.4A EP13759015A EP2864704A1 EP 2864704 A1 EP2864704 A1 EP 2864704A1 EP 13759015 A EP13759015 A EP 13759015A EP 2864704 A1 EP2864704 A1 EP 2864704A1
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EP
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bed
temperature
combustion
nox
production
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Pierre Emmanuel Pardo
Ludovic Morice
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Suez International SAS
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Degremont SA
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    • F23N2237/32—Nox

Definitions

  • the invention relates to a method for conducting combustion in a fluidized bed furnace, in particular a sand bed, according to which a primary combustion air flow is blown through the bed, the fuel consisting in particular of waste organic, or urban waste, or sewage sludge, secondary air that can be injected into the space of the furnace located above the bed.
  • the amount of nitrogen oxides generated is a function, to a certain extent, of the fuel used, but also the conditions under which the combustion takes place. There is therefore no unambiguous relationship between nitrogen oxide emissions and fuel.
  • an emission factor can be formulated which will serve, among other things, to refer to the progress and decreases in nitrogen oxide emissions that could be achieved through further research and development.
  • N 2 O is a greenhouse gas three hundred and ten times more potent than CO 2 .
  • the SCR process makes it possible to cut down large quantities of NOx, but at the cost of major economic and environmental disadvantages.
  • the more economical SNCR process does not achieve as high a nitrogen oxide removal efficiency as the SCR process.
  • the aim of the invention is, above all, to lower the production of nitrogen oxides NOx and nitrous oxide N 2 O during combustion, so as to be limited to the use of a selective reduction.
  • catalytic SNCR to treat only the residual in the flue gas.
  • the invention consists, by adapting the torque: (temperature of the fluidized bed and excess air in the fluidized bed), to balance the nitrification and denitrification reactions taking place in the fluidized bed.
  • the process defined above is characterized in that, in order to limit the production of NOx and N 2 O nitrogen oxides:
  • the content of the fumes is measured in nitrous oxide N 2 O and nitrogen oxides NOx;
  • the temperature of the fluidized bed is controlled to maintain it at the highest permissible value for which the production of nitrous oxide N 2 O is substantially reduced, while the production of nitrogen oxides NOx is not appreciably increased;
  • the process involves co-combustion with a booster fuel in liquid, solid or gaseous form.
  • the temperature of the fluidized bed is controlled to maintain it between 700 ° C and 850 ° C.
  • the oxygen content O 2 in the fluidized bed is advantageously maintained between 0% and 6% by volume.
  • the excess air of the bed can be controlled from a measurement of the oxygen content O 2 of the fumes at the furnace outlet and the temperature difference between the fumes at the furnace outlet and the fluidized bed.
  • an algorithm is implemented in a calculating means of a control unit, comprising in particular a PID regulator;
  • the nitrous oxide content N 2 O of the flue gases is measured, and the set temperature is corrected according to this measured N 2 O content, the bed temperature is measured and its value is introduced into the control unit; ,
  • control unit determines, from the difference between the corrected set temperature of the bed and the measured temperature of the bed, the action to be exerted on the temperature of the combustion air, and / or on the dryness of the fuel, and / or on a possible addition of fuel, in particular fuel oil, to ensure the corrected set temperature.
  • the set temperature of the corrected bed with respect to the emission of N 2 O is determined using a test, this correction being based on the evolution of the production of N 2 O on a suitable time base, in particular 30 minutes, this test consisting in checking if the production of N 2 O is increasing and if it remains below a predetermined threshold; if the test is valid the correction is directed towards an increase of the temperature of the bed, and if the test is not valid the correction is directed towards a fall of the temperature of the bed; and before the increase of the temperature of the bed a test is carried out on the current instruction which must remain lower than the maximum temperature (Tmax) in the bed, whereas before the decrease of the temperature of the bed, a test is carried out the current instruction which must remain above the minimum temperature (Tmin) in the bed.
  • a test is carried out the current instruction which must remain above the minimum temperature (Tmin) in the bed.
  • NOx correction function f
  • a control loop controls the overall air excess of the combustion by action on the secondary air flow, from an oxygen measurement made at the furnace outlet, the total fuel flow making it possible to determine the total flow of combustion air.
  • the oxygen content of the fluidized bed can be determined by measuring the oxygen content of the fumes at the furnace outlet, and by measuring the difference in temperature between the outlet of the afterburner zone and the outlet of the bed, with calculation of the amount of oxygen consumed during post-combustion.
  • the invention also relates to an installation for implementing the method defined above, comprising a fluid bed combustion furnace, in particular a sand bed, in which a primary combustion air flow is blown through the bed, the fuel being constituted in particular of organic waste, or of urban waste, or sludge of purification plants, secondary air that can be injected into the space of the oven located above the bed, this installation being characterized in that that it comprises:
  • a regulation unit comprising in particular a PID regulator, with a calculation means for implementing an algorithm for limiting the production of N 2 O;
  • control unit being able to correct the set temperature according to the nitrous oxide content N 2 O of the fumes
  • control unit determining, from the difference between the corrected set temperature of the bed and the measured bed temperature, the action to be exerted on the combustion air temperature, and / or on the dryness of the fuel, and / or on a possible addition of fuel, in particular fuel oil, to ensure the corrected set temperature.
  • the installation comprises:
  • the installation may comprise, for controlling the production of NOx, a means for controlling the excess air by acting on the primary air flow through the bed, taking into account a correction function f (NOx ) based on the NOx content of the post-combustion outlet fumes, the NOx control action being limited by the difference in temperature ( ⁇ ) between the bed and the afterburner, in order to ensure the staging of the combustion of devolatilized hydrocarbons.
  • NOx correction function f
  • the installation comprises means for controlling the overall excess of air, comprising a probe for measuring the oxygen content O 2 of the fumes at the furnace outlet, temperature probes for providing the temperature difference between the fumes at the post-combustion outlet and the fluidized bed, and a means of calculating the oxygen consumed by the afterburner corresponding to the difference in temperature between the outlet of the bed and the outlet of the afterburner.
  • the installation comprises a control loop which controls the overall air excess of the combustion by action on the secondary air flow rate, from a measurement of oxygen produced at the furnace outlet, the total flow rate of fuel for determining the total flow of combustion air.
  • Fig. 1 is a schematic vertical section of a fluidized bed combustion furnace to which the method of the invention is applied.
  • Fig. 2 is a diagram illustrating the variations, over the time taken on the abscissa, of the NOx nitrogen oxide content in the y-ordinate on the left in mg / Nm 3 , according to a solid line curve, as well as the variations in the content of the residual oxygen fumes carried on the ordinate on the right and expressed in volume%, according to a dashed curve.
  • Fig. 3 is a diagram illustrating the variations over time of the average temperature of the sand bed, measured in ° C on the y-axis on the right, according to a dashed curve, as well as the variations of the protoxide content of nitrogen N 2 O in the flue gases, plotted on the y-axis in mg / Nm 3 , in a solid line.
  • Fig. 4 is a graph illustrating the variations in the formation rate of NOx and N 2 O as a function of the temperature on the abscissa
  • Fig. 5 is a block diagram of an algorithm for controlling the N 2 O content
  • Fig. 6 is a block diagram of the regulation of the excess air in the fumes at the furnace outlet.
  • the fluidized bed B has a homogeneous particle size and is preferably made of sand and grains of silica.
  • the fluidized bed may be made with grains of iron, or other grains of metallic or inert material, in particular coke (fixed carbon) constituted by carbon having a crystallized structure and acting as a catalyst.
  • the combustion and fluidization air 2 is introduced into the lower part of the furnace in a wind box A surmounted by an arch a1 supporting the bed B.
  • the arch a1 is traversed by nozzles a2 ensuring the distribution of air primary blown in the bed B.
  • An oven of this type is known under the name Thermylis® DEGREMONT Company.
  • the bed B is a devolatilization zone 3 which contains the solid phase waste and in which the volatile materials devolatilize and burn in part. It is recalled that the devolatilization of a fuel refers to the process by which, during a heat treatment, the fuel loses its volatile materials (water, hydrocarbon materials, carbon monoxide, hydrogen).
  • the fuel is introduced in the lower part of the bed B by at least one lateral baffle 4.
  • An afterburner zone 5 is formed in the furnace chamber above the bed B.
  • a device 5a for injecting secondary air into the furnace zone 5 is planned.
  • the fuel injection is carried out in the devolatilization zone 3.
  • the fuel may consist of sewage sludge, household or urban waste, fuel oil, or gas, or a mixture of at least two these fuels, or any organic waste that is introduced into an oven to burn it.
  • the fluidized bed B is a strongly stirred medium in which homogeneous phase and heterogeneous phase reactions take place. In this medium occurs most of the phases of a combustion:
  • Bed B is the ideal place for many reactions in the heterogeneous phase made possible by the presence of mineral materials, constituted by ash, and fixed carbon (coke).
  • the fluidized bed is equivalent to a liquid medium and has, in normal operation, a homogeneous temperature.
  • the afterburner zone 5 allows, thanks to an adequate excess of air and a suitable residence time, a total oxidation of the hydrocarbon species produced in the bed in homogeneous phase (devolatilization).
  • Nitrogen oxides NOx and nitrous oxide N 2 O are produced in bed B during the devolatilization phase.
  • the method of the invention ensures a bed temperature and an excess of air in this fluidized bed suitable for promoting denitrification reactions to the detriment of NOx nitrogen oxides and N 2 O nitrous oxide reactions. whose quantity produced is reduced.
  • the process of the invention can be used in synergy with the process of the French patent application No. 12 53597 filed on April 19, 2012 in the name of the same applicant company DEGREMONT, for a "process for denitrification of fumes produced by an oven of combustion, and installation for the implementation of this method.
  • nitrogen oxides NOx and nitrous oxide N 2 O comes from the oxidation of the nitrogen contained in the fuel.
  • This nitrogen is contained in a hydrocarbon structure, or in the ammonia state, and can be converted into two species, either in gaseous form NH 3 ammonia, or in the form of HCN hydrogen cyanide.
  • the nitrogen of the hydrocarbon structures mainly forms HCN hydrogen cyanide and, in an oxidizing medium, is at the origin of the production of the nitrogen oxides NOx and the nitrous oxide. nitrogen N 2 O.
  • the prevailing conditions in the fluidized bed are chosen to limit the production of HCN hydrogen cyanide and to promote denitrification reactions which, for the most part, take place in heterogeneous phase.
  • the excess air in the fluidized bed is maintained at the lowest admissible value in order to avoid the production of NOx nitrogen oxides; the lower limit is imposed by the temperature difference ⁇ bed / afterburning which characterizes the displacement of combustion from the bed to afterburning by reducing excess air in the bed.
  • the temperature of the fluidized bed is maintained at the highest permissible value which is limited by the occurrence of a significant increase in the NOx content of the flue gases. This temperature of the bed maintained at the highest level makes it possible to:
  • the temperature of the fluidized bed contributes to limiting the production of hydrogen cyanide HCN and thus NO nitric oxide, while ensuring the sufficient energy level at Conducting denitrification reactions, with the destruction of nitrogen oxides NOx and nitrous oxide N 2 O, and destruction of HCN hydrogen cyanide and NH 3 ammonia in the heterogeneous phase.
  • the method of the invention is thus based on controlling the torque: (fluidized bed temperature / oxygen concentration in the fluidized bed) to give a desired priority to the formation of the denitrification reactions.
  • the temperature of the fluidized bed is maintained between 720 ° C and 850 ° C while the oxygen concentration in the fluidized bed is maintained between 0% and 6% by volume.
  • Maintaining the parameters (bed temperature and oxygen content of the bed) in the indicated ranges is provided by a control unit H (FIG. 5) with calculation means K in which an algorithm is installed, and a loop of G regulation (Fig.6).
  • the control unit H and the loop G receive setpoints and measurement results for the parameters under consideration, and provide control signals to different outputs to provide control. This makes it possible to limit the production of nitrous oxide N 2 O and nitrogen oxides NO x, and to promote a denitrification treatment directly in the fluidized bed B without resorting to a specific denitrification process.
  • FIG. 2 illustrates the possibility of controlling the production of nitrogen oxides NOx whose fume content is shown on the left-hand side, in mg / Nm 3 (milligrams per normal cubic meter), by the residual oxygen at the outlet of oven, in the fumes.
  • the residual oxygen content in the fumes expressed in% by volume is carried to the right in ordered.
  • time is measured in hours and minutes.
  • the curve 6 in dashes represents the variation of the oxygen content of the fumes at the furnace outlet, over time.
  • Curve 6 illustrates a decrease in the residual oxygen at the furnace outlet, obtained by reducing the primary air flow, while the secondary air flow is zero.
  • Curve 7 in solid lines illustrates the variation of the nitrogen oxide NOx content of the fumes at the furnace outlet. It appears that this content decreases with decreasing residual oxygen content. As soon as the oxygen content is about 4%, the NOx content has dropped to about 30 mg / Nm 3 .
  • FIG. 2 The diagram of FIG. 2 illustrating the variations of NOx induced by the variations of the residual oxygen content must be considered all things being equal.
  • FIG. 3 illustrates by a curve 8 in dashed variations in the temperature of the fluidized bed B over the time taken on the abscissa; the temperature values are plotted on the right in ordinate.
  • the peak of the temperature curve reaches about 800 ° C.
  • the variations in the nitrous oxide content N 2 O in the fumes at the furnace outlet are represented by the curve in solid line 9.
  • the N 2 O content is shown on the left as ordinate, expressed in mg / Nm 3.
  • FIG. Figure 3 shows that for bed temperatures above about 740 ° C, the nitrous oxide N 2 O content of the fumes is substantially reduced.
  • the invention exploits the evolutions observed on the diagrams of FIGS. 2 and 3 for controlling both the production of nitrogen oxides NOx and nitrous oxide N 2 O in the heterogeneous phase constituted by the fluidized bed B.
  • the invention thus allows a precise algorithm to control both the production of NOx and N 2 O in the heterogeneous phase. Knowing that the evolution observed for N 2 O and NOx is represented by FIG. 4, the adjustment of the temperature of the bed will be controlled by the measurement of N 2 O and the set point of O 2 will be adjusted according to the content in NOx observed for the current temperature.
  • the network of increasing curves from left to right corresponds to changes in the rate of formation of NOx as a function of the temperature on the abscissa.
  • Each curve corresponds to a constant O 2 content, this constant being 3% for the lower curve and increasing by 1% for each curve situated above, up to 8% for the upper curve; these values are shown in Fig.4 on the right.
  • the graph of Fig. 4 shows that, if we want to raise the temperature in the bed, it is necessary to reduce the O 2 content to limit NOx production, hence the NOx regulation with the amount of air introduced into the bed.
  • the temperature of the bed B measured by probes such as 10 (FIG. 1) judiciously implanted is controlled by action:
  • a probe 10a advantageously placed just above the bed and before the secondary air injection makes it possible to check the coherence of the measurements 10, 10b.
  • the temperature setpoint SP of the bed is corrected with respect to the emission of N 2 O using a test, according to block 14. This correction is based on the evolution of the production of N 2 O on a suitable time base, especially 30 minutes, to avoid taking into account peaks.
  • the test 14 is performed on this evolution. This test consists in checking if the production of N 2 O is increasing and if it remains lower than a predetermined threshold.
  • the correction ensured by the block 15, is directed towards an increase of the temperature of the bed with previously a test 15a on the current SP setpoint which must remain always less than the maximum temperature Tmax in the bed (of the order of 850 ° C).
  • This temperature increase is achieved by activating a ramp of Xi ° C./minute for a time base of Yi minutes in relation to the thermal inertia of the bed, which depends on the quantity of sand and the CIP of the fuel. .
  • test 14 If the test 14 is not valid (answer NO) the correction is directed towards a decrease of the temperature of the bed, according to block 16, with previously a test 16a on the current SP setpoint which must always remained higher than the minimum temperature Tmin in the bed (of the order of 700 ° C).
  • This drop in temperature is achieved at 16 by the activation of a ramp of X 2 ° C / minute during a time base of Y 2 minutes in relation to the thermal inertia of the bed depending on the quantity of sand and the PCI fuel.
  • the temperature setpoint SP of the bed incorporating the correction with respect to the production of N 2 O is, according to the block R, the sum of the temperature T f (base temperature in operation of the order of 800 ° C.) and the value provided by the up / down counter D.
  • the temperature setpoint SP is compared with the measurement in the bed in a PID (proportional integral derivative) regulator 19 whose output S (0-100%) is processed in a formula M ((S-50) / 50) whose result varies from -1 to +1.
  • An X weighting allows a distribution of the action.
  • the amplitude of the corrections is limited by the values "max of possible variation", respectively according to block 21 for the variation of temperature, and block 22 for the variation of dryness.
  • a probe 12 for measuring the nitrous oxide content N 2 O of the fumes at the furnace outlet furnishes the measured value of the N 2 O content.
  • the programmed algorithm makes it possible to correct the setpoint value as a function of the measurement of the N 2 O content supplied by the probe 12.
  • the block 13 may control, in particular, a heat exchanger (not shown) heating the combustion air, from the fumes leaving the furnace, by changing the flow rate of hot smoke passing through the heater.
  • Block 1 1 makes it possible to correct the dryness of the fuel, in particular sludge, for example by action on a device for drying the fuel before introduction into the furnace. According to another possibility, to increase the temperature of the bed, it is possible to order an addition of fuel oil to the fuel. It then occurs a co-combustion.
  • the correction is made at the level of the correction of the temperature of the combustion air by the block 13 and the correction of the dryness of the sludge through the block 1 1, and if necessary by reducing the fuel flow.
  • the excess air is controlled by acting on the primary air flow through the bed, according to the block 23.
  • the graph of Fig.4 lower the amount of primary air, and therefore O2, leads to controlling the production of NOx.
  • a block 24 represents the taking into account of a correction function f (NOx) according to the NOx content of the fumes provided by a probe 20 (FIG. 1) at the post-combustion outlet.
  • NOx correction function
  • the amount of primary air is kept as low as possible.
  • This NOx control action is, however, limited by the difference in temperature ⁇ between the bed and the afterburner, according to the block 25 which introduces a correction function ⁇ ( ⁇ ), in order to ensure the staging of the combustion of the devolatilized hydrocarbons. .
  • the primary air flow must remain between a maximum value Max, and a minimum value Min.
  • the temperature variation between the bed B and the outlet of the afterburner zone 5 is represented in FIG. 1 by a dashed line 17, drawn in a coordinate system in which the height of a point in the abscissa is plotted on the abscissa. zone 5 above the bed B, and on the ordinate the temperature at this point.
  • the temperature may be close to 800 ° C. at the outlet of the bed B and 850 ° C. at the outlet of the afterburner zone 5.
  • the temperature difference between the post-combustion outlet 5 and the bed B should be of sufficient value, in particular at least
  • a 0 and B 0 (B 0 ⁇ 1) values are initial settings allowing only adjustment through the correction functions.
  • a loop G determines a corrected value B ' 0 taking into account correction functions 25 ⁇ ( ⁇ ) and 24 f (NOx).
  • This value B ' 0 is used to calculate the primary air flow rate from the total flow of combustion air.
  • the value (1- B ' 0 ) is used to calculate the secondary air flow from the total combustion air flow, taking into account the correction function 27 f (O 2 ).
  • the reduction of NOx can lower the proportional coefficient of primary air (B 0 -> B ' 0 ) with, consequently, gases out of the bed B depleted of oxygen.
  • the overall stoichiometric ratio of air (A 0 ) guaranteeing a complete post-combustion combustion for a given quantity of MV is ensured by an increase in the proportional proportion of secondary air (1 - ⁇ ).
  • the lowering of the amount of primary air to reduce the production of NOx nitrogen oxides is thus limited by the need for an oxygen content at the outlet of the fluidized bed B.
  • a 0 defines the amount of air for one ton of MS dry matter (eg 10000 Nm 3 / t). Therefore, for a sludge setpoint of 1 t / h of MS it will take at global A 0 Nm 3 / h (for example 10000 Nm 3 / h) of combustion air that it will be necessary to distribute between the primary air (air I) and secondary air (air II).
  • a 0 must be modified if the amount of volatile matter or the ICP (lower heating value) thereof changes, and the measurement of the overall oxygen content O 2 is an indication. If the result of the measurement warrants it, at that moment, an action is taken on the secondary air by means of the correction function f ( ⁇ 2 ) in order to take it into account without modifying the air I because optimized for NOx control.
  • the regulation loop G (FIG. 6) with calculation means controls the overall air excess of the combustion by action on the flow rate of secondary air, according to block 26, from the measurement of oxygen produced at the furnace outlet, according to the correction function of block 27.
  • the total sludge flow rate provided by a block 28 makes it possible to determine the total flow rate of combustion air, according to block 29.
  • the algorithm can be positively improved by setting up a measurement of the oxygen content directly in the heterogeneous zone constituted by the fluidized bed B.
  • the invention makes it possible to control the amount of air in the fluidized bed and to reduce NOx nitrogen oxides.
  • the process of the invention by limiting the production of nitrogen oxides in a fluidized bed furnace makes it possible to limit the use of an SNCR reduction.

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Abstract

Procédé pour conduire la combustion dans un four à lit fluidisé, notamment à lit de sable, selon lequel un débit d'air primaire de combustion est soufflé à travers le lit, le combustible étant constitué en particulier de déchets organiques, ou de déchets urbains, ou de boues de stations d'épuration, de l'air secondaire (5a) pouvant être injecté dans l'espace (5) du four situé au-dessus du lit; afin de limiter la production d'oxydes d'azote NOx et de protoxyde d'azote N2O : on mesure (12, 20), en sortie du four, la teneur des fumées en protoxyde d'azote N2O et en oxydes d'azote NOx; on contrôle la température du lit fluidisé pour la maintenir à la valeur la plus haute admissible pour laquelle la production de protoxyde d'azote N2O est sensiblement réduite, tandis que la production d'oxydes d'azote NOx n'est pas sensiblement augmentée; et on contrôle l'excès d'air dans le lit fluidisé pour le maintenir à la valeur la plus basse admissible pour laquelle la production d'oxydes d'azote NOx est réduite sans nuire à la combustion et à la température du lit.

Description

PROCEDE POUR CONDUIRE LA COMBUSTION DANS UN FOUR AFIN DE LIMITER LA PRODUCTION D'OXYDES D'AZOTE, ET INSTALLATION POUR LA MISE EN ŒUVRE DE CE PROCEDE.
L'invention est relative à un procédé pour conduire la combustion dans un four à lit fluidisé, notamment un lit de sable, selon lequel un débit d'air primaire de combustion est soufflé à travers le lit, le combustible étant constitué en particulier de déchets organiques, ou de déchets urbains, ou de boues de station d'épuration, de l'air secondaire pouvant être injecté dans l'espace du four situé au-dessus du lit.
Lors d'une combustion, contrairement aux oxydes de soufre, aux acides, et aux métaux lourds dont les émissions sont intrinsèquement liées à la teneur du combustible utilisé en soufre, en Cl (chlore), Br (brome), F (fluor), I (iode), et en métaux lourds, la quantité d'oxydes d'azote générée est fonction, dans une certaine mesure, du combustible utilisé, mais également des conditions dans lesquelles s'effectue la combustion. Il n'y a donc pas de relation univoque entre les émissions d'oxydes d'azote et le combustible. Tout au plus, quand on dispose d'une bonne connaissance d'un procédé donné (centrale thermique au charbon, fioul lourd, gaz naturel...), on peut formuler un facteur d'émission qui servira, entre autres, de référence de base aux progrès et aux diminutions des émissions d'oxydes d'azote qui pourraient être obtenus par des recherches et des mises au point ultérieures.
La combustion d'un composé hydrocarboné en plus du dioxyde de carbone CO2, d'eau H2O, et d'azote N2, s'accompagne donc toujours d'une production d'oxydes d'azote. Ces oxydes sont représentés par le monoxyde d'azote (NO), le protoxyde d'azote (N2O), et par une très faible proportion de dioxyde d'azote (NO2).
D'un point de vue environnemental et sanitaire, il est important d'en réduire leurs émissions car chacun de ces oxydes d'azote a un impact non négligeable :
- le NO participe au phénomène des pluies acides et à la formation de l'ozone troposphérique ;
- le N2O est un gaz à effet de serre trois cent dix fois plus puissant que le CO2.
Afin de réduire les émissions de NOx, des procédés ont été développés, notamment les deux procédés suivants :
- un procédé non catalytique opérant à haute température de l'ordre de 800°C dans l'enceinte de combustion, ce procédé étant désigné par le sigle SNCR (réduction non catalytique sélective) ;
- un procédé catalytique opérant au niveau du traitement des fumées à moyenne température (300°C-400°C) ou à basse température (180°C- 230°C), ce procédé étant désigné par le sigle SCR (réduction catalytique sélective).
Le procédé SCR permet d'abattre de grandes quantités de NOx, mais au prix d'inconvénients économiques et environnementaux majeurs. Le procédé SNCR, plus économique, ne permet pas d'atteindre un rendement d'élimination des oxydes d'azote aussi élevé que le procédé SCR.
L'invention a pour but, surtout, d'abaisser au mieux la production des oxydes d'azote NOx et du protoxyde d'azote N2O lors d'une combustion afin de se limiter à l'usage d'une réduction sélective non catalytique SNCR pour ne devoir traiter que le résiduel dans les gaz de combustion.
L'invention consiste, en adaptant le couple : (température du lit fluidisé et excès d'air dans le lit fluidisé), à équilibrer les réactions de nitrification et de dénitrification se déroulant dans le lit fluidisé.
Selon l'invention, le procédé défini précédemment est caractérisé en ce que, afin de limiter la production d'oxydes d'azote NOx et N2O :
- on mesure, en sortie du four, la teneur des fumées en protoxyde d'azote N2O et en oxydes d'azote NOx ;
- on contrôle la température du lit fluidisé pour la maintenir à la valeur la plus haute admissible pour laquelle la production de protoxyde d'azote N2O est sensiblement réduite, tandis que la production d'oxydes d'azote NOx n'est pas sensiblement augmentée ;
- et on contrôle l'excès d'air dans le lit fluidisé pour le maintenir à la valeur la plus basse admissible pour laquelle la production d'oxydes d'azote NOx est réduite sans nuire à la combustion et à la température du lit.
Avantageusement, le procédé met en oeuvre une co-combustion avec un combustible d'appoint sous forme liquide, ou solide, ou gazeuse.
On peut effectuer une introduction, dans le combustible, d'un réactif ou d'un support catalytique améliorant la dénitrification.
De préférence, on contrôle la température du lit fluidisé pour la maintenir entre 700°C et 850°C. La teneur en oxygène O2 dans le lit fluidisé est avantageusement maintenue entre 0% et 6% en volume.
L'excès d'air du lit peut être contrôlé à partir d'une mesure de la teneur en oxygène O2 des fumées en sortie de four et de la différence de température entre les fumées en sortie de four et le lit fluidisé.
Avantageusement, on agit sur le débit d'air secondaire pour maintenir l'excès d'air global à la plus basse valeur qui assure une combustion complète.
De préférence, selon le procédé de l'invention :
- pour limiter la production de N2O, un algorithme est mis en œuvre dans un moyen de calcul d'une unité de régulation, comprenant en particulier un régulateur PID;
- une température de consigne du lit (Tréf) est introduite dans l'algorithme,
- la teneur en protoxyde d'azote N2O des fumées est mesurée, et la température de consigne est corrigée selon cette teneur en N2O mesurée, - la température du lit est mesurée et sa valeur est introduite dans l'unité de régulation,
- l'unité de régulation détermine, à partir de la différence entre température de consigne corrigée du lit et température mesurée du lit, l'action à exercer sur la température de l'air de combustion, et/ou sur la siccité du combustible, et/ou sur un ajout éventuel de combustible, en particulier de fioul, pour assurer la température de consigne corrigée.
Avantageusement, la consigne de température du lit corrigée par rapport à l'émission de N2O est déterminée en utilisant un test, cette correction étant fondée sur l'évolution de la production de N2O sur une base de temps adaptée, en particulier de 30 minutes, ce test consistant à vérifier si la production de N2O est en train d'augmenter et si elle reste inférieure à un seuil prédéterminé ; si le test est valide la correction est orientée vers une augmentation de la température du lit, et si le test n'est pas valide la correction est orientée vers une baisse de la température du lit ; et avant l'augmentation de la température du lit un test est effectué sur la consigne en cours qui doit rester inférieure à la température maximale (Tmax) dans le lit, tandis qu'avant la baisse de la température du lit, un test est effectué sur la consigne en cours qui doit rester supérieure à la température minimale (Tmin) dans le lit.
Pour contrôler la production de NOx, on peut contrôler l'excès d'air par action sur le débit d'air primaire traversant le lit, avec prise en compte d'une fonction de correction f(NOx) d'après la teneur en NOx des fumées en sortie de postcombustion, l'action de contrôle de NOx étant limitée par la différence de température (ΔΤ) entre le lit et la postcombustion, afin d'assurer l'étagement de la combustion des hydrocarbures dévolatilisés.
Avantageusement, une boucle de régulation contrôle l'excès d'air global de la combustion par action sur le débit d'air secondaire, à partir d'une mesure d'oxygène réalisée en sortie de four, le débit total de combustible permettant de déterminer le débit total d'air de combustion. On peut déterminer la teneur en oxygène du lit fluidisé par mesure de la teneur en oxygène des fumées en sortie de four, et par mesure de la différence de température entre la sortie de la zone de postcombustion et la sortie du lit, avec calcul de la quantité d'oxygène consommée lors de la postcombustion.
L'invention concerne également une installation pour la mise en œuvre du procédé défini précédemment, comportant un four de combustion à lit fluidisé, notamment à lit de sable, selon lequel un débit d'air primaire de combustion est soufflé à travers le lit, le combustible étant constitué en particulier de déchets organiques, ou de déchets urbains, ou de boues de stations d'épuration, de l'air secondaire pouvant être injecté dans l'espace du four situé au-dessus du lit, cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte :
- des moyens de mesure, en sortie du four, de la teneur des fumées en protoxyde d'azote N2O et en oxydes d'azote NOx ;
- une unité de régulation, comprenant en particulier un régulateur PID, avec un moyen de calcul pour mise en œuvre d'un algorithme pour limiter la production de N2O;
- une entrée pour une température de consigne du lit dans l'algorithme, l'unité de régulation étant propre à corriger la température de consigne selon la teneur en protoxyde d'azote N2O des fumées,
- un moyen de mesure de la température du lit, la valeur mesurée étant introduite dans l'unité de régulation,
ladite unité de régulation déterminant, à partir de la différence entre température de consigne corrigée du lit et température mesurée du lit, l'action à exercer sur la température de l'air de combustion, et/ou sur la siccité du combustible, et/ou sur un ajout éventuel de combustible, en particulier de fioul, pour assurer la température de consigne corrigée.
Avantageusement, l'installation comporte :
- des moyens de contrôle de la température du lit fluidisé pour la maintenir à la valeur la plus haute admissible pour laquelle la production de protoxyde d'azote N2O est sensiblement réduite, tandis que la production d'oxydes d'azote NOx n'est pas sensiblement augmentée ;
- et des moyens de contrôle de l'excès d'air dans le lit fluidisé pour le maintenir à la valeur la plus basse admissible pour laquelle la production d'oxydes d'azote NOx est réduite sans nuire à la combustion et à la température du lit. L'installation peut comporter, pour contrôler la production de NOx, un moyen de contrôle de l'excès d'air par action sur le débit d'air primaire traversant le lit, avec prise en compte d'une fonction de correction f(NOx) d'après la teneur en NOx des fumées en sortie de postcombustion, l'action de contrôle de NOx étant limitée par la différence de température (ΔΤ) entre le lit et la postcombustion, afin d'assurer l'étagement de la combustion des hydrocarbures dévolatilisés.
De préférence, l'installation comporte des moyens de contrôle de l'excès d'air global, comprenant une sonde de mesure de la teneur en oxygène O2 des fumées en sortie de four, des sondes de température pour fournir la différence de température entre les fumées en sortie de postcombustion et le lit fluidisé, et un moyen de calcul de l'oxygène consommé par la postcombustion correspondant à la différence de température entre la sortie du lit et la sortie de la postcombustion.
L'installation comporte avantageusement une boucle de régulation qui contrôle l'excès d'air global de la combustion par action sur le débit d'air secondaire, à partir d'une mesure d'oxygène réalisée en sortie de four, le débit total de combustible permettant de déterminer le débit total d'air de combustion.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins :
Fig. 1 est une coupe verticale schématique d'un four de combustion à lit fluidisé auquel est appliqué le procédé de l'invention.
Fig. 2 est un diagramme illustrant les variations, au cours du temps porté en abscisse, de la teneur des fumées en oxydes d'azote NOx portée en ordonnée à gauche en mg/Nm3, selon une courbe en trait plein, ainsi que les variations de la teneur des fumées en oxygène résiduel portée en ordonnée à droite et exprimée en % en volume , selon une courbe en tirets.
Fig. 3 est un diagramme illustrant les variations au cours du temps de la température moyenne du lit de sable, portée en °C sur l'axe des ordonnées à droite, selon une courbe en tirets, ainsi que les variations de la teneur en protoxyde d'azote N2O dans les fumées, portée en ordonnée à gauche en mg/Nm3, selon une courbe en trait plein.
Fig. 4 est un graphique illustrant les variations de la vitesse de formation des NOx et de N2O en fonction de la température portée en abscisse, Fig. 5 est un schéma synoptique d'un algorithme pour assurer une régulation de la teneur en N2O , et
Fig. 6 est un schéma synoptique de la régulation de l'excès d'air dans les fumées en sortie de four.
En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir un four de combustion 1 à lit fluidisé B. Le lit fluidisé B présente une granulométrie homogène et est de préférence constitué de sable et de grains de silice. Eventuellement, le lit fluidisé peut être réalisé avec des grains de fer, ou autres grains de matière métallique ou inerte, notamment de coke (carbone fixe) constitué par du carbone ayant une structure cristallisée et agissant comme catalyseur.
L'air de combustion et de fluidisation 2 est introduit en partie inférieure du four dans une boîte à vent A surmontée d'une arche a1 supportant le lit B. L'arche a1 est traversée par des tuyères a2 assurant la répartition de l'air primaire soufflé dans le lit B. Un four de ce type est connu sous le nom Thermylis® de la Société DEGREMONT.
Le lit B constitue une zone de dévolatilisation 3 qui contient les déchets en phase solide et dans laquelle les matières volatiles se dévolatilisent et brûlent en partie. On rappelle que la dévolatilisation d'un combustible désigne le processus par lequel, au cours d'un traitement thermique, le combustible perd ses matières volatiles (eau, matières hydrocarbonées, oxyde de carbone, hydrogène).
Le combustible est introduit en partie basse du lit B par au moins une buselure latérale 4. Une zone de postcombustion 5 est constituée dans l'enceinte du four au-dessus du lit B. Un dispositif 5a d'injection d'air secondaire dans la zone 5 est prévu.
L'injection du combustible s'effectue dans la zone de dévolatilisation 3. Le combustible peut être constitué par des boues de station d'épuration, des déchets ménagers ou urbains, du fioul, ou du gaz, ou un mélange de deux au moins de ces combustibles, ou tout déchet organique que l'on introduit dans un four pour le brûler.
Avantageusement, on peut introduire dans le combustible un réactif ou un support catalytique améliorant la dénitrification.
Le lit fluidisé B est un milieu fortement brassé dans lequel se déroulent des réactions en phase homogène et en phase hétérogène. Dans ce milieu se produit l'essentiel des phases d'une combustion :
- la phase de séchage du combustible solide,
- la phase de dévolatilisation de la matière volatile du combustible solide, - la phase d'oxydo-réduction partielle des espèces issues de la dévolatilisation,
- l'oxydation du carbone fixe.
Le lit B est le lieu propice à de nombreuses réactions en phase hétérogène rendues possibles par la présence de matières minérales, constituées par les cendres, et de carbone fixe (coke).
Il est à noter que le lit fluidisé est équivalent à un milieu liquide et présente, en fonctionnement normal, une température homogène.
Au-dessus du lit, la zone de postcombustion 5 permet, grâce à un excès d'air et à un temps de séjour adaptés, une oxydation totale des espèces hydrocarbonées produites dans le lit en phase homogène (dévolatilisation).
Les oxydes d'azote NOx et le protoxyde d'azote N2O sont produits dans le lit B pendant la phase de dévolatilisation.
Le procédé de l'invention assure une température du lit et un excès d'air dans ce lit fluidisé adéquats pour favoriser les réactions de dénitrification au détriment des réactions de production d'oxydes d'azote NOx et de protoxyde d'azote N2O dont la quantité produite se trouve réduite.
Le procédé de l'invention peut être utilisé en synergie avec le procédé de la demande de brevet français n° 12 53597 déposée le 19 avril 2012 au nom de la même Société déposante DEGREMONT, pour un « Procédé de dénitrification des fumées produites par un four de combustion, et installation pour la mise en œuvre de ce procédé ».
Lors de la combustion d'un déchet, et d'une boue en particulier, la production d'oxydes d'azote NOx et de protoxyde d'azote N2O provient de l'oxydation de l'azote contenu dans le combustible. Cet azote est contenu dans une structure hydrocarbonée, ou à l'état d'ammoniac, et peut être converti en deux espèces, soit sous forme gazeuse ammoniac NH3, soit sous forme de cyanure d'hydrogène HCN. Lors de la dévolatilisation du combustible, en particulier des boues, l'azote des structures hydrocarbonées forme majoritairement du cyanure d'hydrogène HCN et, en milieu oxydant, est à l'origine de la production des oxydes d'azote NOx et du protoxyde d'azote N2O.
Selon le procédé de l'invention, les conditions régnantes dans le lit fluidisé sont choisies pour limiter la production de cyanure d'hydrogène HCN et pour favoriser les réactions de dénitrification qui, pour la plupart, se déroulent en phase hétérogène.
Pour cela, l'excès d'air dans le lit fluidisé est maintenu à la valeur la plus basse admissible afin d'éviter la production d'oxydes d'azote NOx ; la limite inférieure est imposée par la différence de température ΔΤ lit/postcombustion qui caractérise le déplacement de la combustion depuis le lit vers la postcombustion par la réduction de l'excès d'air dans le lit.
La température du lit fluidisé est maintenue à la valeur la plus haute admissible qui est limitée par l'apparition d'une augmentation sensible de la teneur des fumées en oxydes d'azote NOx. Cette température du lit maintenue au plus haut permet de :
- limiter la production de protoxyde d'azote N2O ;
- limiter les réactions d'oxydation en phase homogène et de production de monoxyde d'azote NO ;
- assurer le niveau d'énergie nécessaire au déroulement des réactions de dénitrification en phase hétérogène.
Au-dessus d'un seuil, en particulier de 800 °C, la température du lit fluidisé contribue à limiter la production de cyanure d'hydrogène HCN et donc de monoxyde d'azote NO, tout en assurant le niveau d'énergie suffisant au déroulement des réactions de dénitrification, avec destruction des oxydes d'azote NOx et du protoxyde d'azote N2O, et destruction du cyanure d'hydrogène HCN et de l'ammoniac NH3 en phase hétérogène.
Le procédé de l'invention est ainsi basé sur le contrôle du couple : (température du lit fluidisé / concentration en oxygène dans le lit fluidisé) pour donner une priorité voulue à la formation des réactions de dénitrification.
Avantageusement, la température du lit fluidisé est maintenue entre 720°C et 850°C tandis que la concentration en oxygène dans le lit fluidisé est maintenue entre 0 % et 6 % en volume.
Le maintien des paramètres (température du lit et teneur en oxygène du lit) dans les plages de valeurs indiquées est assuré par une unité de régulation H (Fig.5) avec moyen de calcul K dans lequel est installé un algorithme, et une boucle de régulation G (Fig.6).
L'unité de régulation H et la boucle G reçoivent des valeurs de consigne et des résultats de mesure pour les paramètres considérés, et fournissent sur différentes sorties des signaux de commande pour assurer la régulation. Ceci permet de limiter la production de protoxyde d'azote N2O et d'oxydes d'azote NOx, et de favoriser un traitement de dénitrification directement dans le lit fluidisé B sans avoir recours à un procédé de dénitrification spécifique.
Le diagramme de Fig. 2 illustre la possibilité de contrôle de la production d'oxydes d'azote NOx dont la teneur dans les fumées est portée à gauche en ordonnées, en mg/Nm3 (milligrammes par mètre cube normal), par l'oxygène résiduel en sortie de four, dans les fumées. La teneur en oxygène résiduel dans les fumées exprimée en % en volume est portée à droite en ordonnée. En abscisse, le temps est porté en heures et minutes.
La courbe 6 en tirets représente la variation de la teneur en oxygène des fumées en sortie de four, au cours du temps. La courbe 6 illustre une diminution de l'oxygène résiduel en sortie de four, obtenue en réduisant le débit d'air primaire, tandis que le débit d'air secondaire est nul.
La courbe 7 en trait plein illustre la variation de la teneur en oxydes d'azote NOx des fumées en sortie de four. Il apparaît que cette teneur diminue avec la diminution de la teneur en oxygène résiduel. Dès que la teneur en oxygène est d'environ 4 %, la teneur en NOx a chuté à environ 30 mg/Nm3.
Le diagramme de Fig. 2 illustrant les variations de NOx induites par les variations de la teneur en oxygène résiduel est à considérer toutes choses égales par ailleurs.
Le diagramme de Fig. 3 illustre par une courbe 8 en tirets des variations de la température du lit fluidisé B au cours du temps porté en abscisse ; les valeurs de température sont portées à droite en ordonnée. Le pic de la courbe de température atteint environ 800°C.
Les variations de la teneur en protoxyde d'azote N2O dans les fumées en sortie de four sont représentées par la courbe en trait plein 9. La teneur en N2O est portée à gauche en ordonnée, exprimée en mg/Nm3.
Le diagramme de Fig. 3 fait apparaître que pour des températures de lit supérieures à environ 740°C, la teneur en protoxyde d'azote N2O des fumées est sensiblement réduite.
L'invention exploite les évolutions observées sur les diagrammes des Fig. 2 et 3 pour piloter à la fois la production d'oxydes d'azote NOx et de protoxyde d'azote N2O dans la phase hétérogène constituée par le lit fluidisé B.
L'invention permet ainsi par un algorithme précis de piloter à la fois la production de NOx et de N2O dans la phase hétérogène. Sachant que l'évolution constatée pour N2O et NOx est représentée par Fig.4, l'ajustement de la température du lit sera piloté par la mesure de N2O et la consigne d'O2 sera ajustée en fonction de la teneur en NOx constatée pour la température en cours.
Sur Fig.4, sur l'axe de gauche des ordonnées est portée la vitesse de formation des NOx en fonction de O2 et de la température T. Cette vitesse est exprimée en secondes"1(s"1*10"8 ). Plus cette vitesse est importante par rapport aux autres réactions de destruction plus il y aura de NOx.
Le réseau de courbes croissantes de gauche à droite correspond à évolution de la vitesse de formation des NOx en fonction de la température portée en abscisse. Chaque courbe correspond à une teneur en O2 constante, cette constante étant de 3% pour la courbe inférieure et augmentant de 1 % pour chaque courbe située au-dessus, jusqu'à 8% pour la courbe supérieure ; ces valeurs sont indiquées sur la Fig.4 à droite. Le graphique de Fig. 4 montre que, si on veut faire monter la température dans le lit, il faut conjointement réduire la teneur en O2 pour limiter la production de NOx d'où la régulation des NOx avec la quantité d'air introduit dans le lit.
Sur l'axe de droite des ordonnées, c'est le taux de destruction du N2O produit par la combustion (rapport de la quantité de N2O produite par la combustion dans le lit, sur la quantité de N2O résultant de la destruction thermique dans le lit). Ce taux de destruction est représenté par la courbe décroissante de l'angle supérieur gauche à l'angle inférieur droit. Cette courbe est indépendante de la teneur en O2 et montre que le taux de destruction est fonction de la température du lit. L'algorithme se décompose comme exposé ci-après
I. Le contrôle de la température du lit B.
L'algorithme est illustré sur Fig.5. Ce contrôle est possible en mettant en place une régulation dont le principe est le suivant.
La température du lit B mesurée par des sondes telles que 10 (Fig.1 ) judicieusement implantées est contrôlée par action :
- sur la siccité/taux de MV du combustible, cette action étant représentée par le bloc 1 1 ,
- et sur la température de l'air de combustion traversant le lit fluidisé, cette action étant représentée par le bloc 13.
Sans qu'elle participe à la régulation, une sonde 10a avantageusement placée juste au-dessus du lit et avant l'injection d'air secondaire permet de vérifier la cohérence des mesures 10, 10b.
La consigne de température SP du lit est corrigée par rapport à l'émission de N2O en utilisant un test, selon bloc 14. Cette correction est basée sur l'évolution de la production de N2O sur une base de temps adaptée, notamment de 30 minutes, pour éviter la prise en compte de pics.
Le test 14 est réalisé sur cette évolution. Ce test consiste à vérifier si la production de N2O est en train d'augmenter et si elle reste inférieure à un seuil prédéterminé.
Si le test 14 est valide (réponse OUI) la correction, assurée par le bloc 15, est orientée vers une augmentation de la température du lit avec auparavant un test 15a sur la consigne SP en cours qui doit rester toujours inférieure à la température maximale Tmax dans le lit (de l'ordre de 850°C). Cette augmentation de température est réalisée en 15 par l'activation d'une rampe de Xi °C/minute pendant une base de temps de Yi minutes en rapport avec l'inertie thermique du lit dépendante de la quantité de sable et du PCI du combustible.
Si le test 14 n'est pas valide (réponse NON) la correction est orientée vers une baisse de la température du lit, selon bloc 16, avec auparavant un test 16a sur la consigne SP en cours qui doit toujours restée supérieure à la température minimale Tmin dans le lit (de l'ordre de 700°C). Cette baisse de température est réalisée en 16 par l'activation d'une rampe de X2 °C/minute pendant une base de temps de Y2 minutes en rapport avec l'inertie thermique du lit dépendante de la quantité de sable et du PCI du combustible.
La rampe d'augmentation Xi°C/minute incrémente en degrés un compteur/décompteur D alors que la rampe de baisse X2°C/minute décrémente en degrés le compteur/décompteur D.
La consigne de température SP du lit intégrant la correction par rapport à la production de N2O est selon le bloc R, la somme de la température Tréf (température de base en fonctionnement de l'ordre de 800°C) et de la valeur fournie par le compteur/décompteur D.
La consigne de température SP est comparée à la mesure dans le lit dans un régulateur PID (proportionnel intégral dérivé) 19 dont la sortie S (0- 100%) est traitée dans une formule M ((S-50)/50) dont le résultat varie de -1 à +1 . Une pondération X permet une répartition de l'action. L'amplitude des corrections est bornée par les valeurs « max de variation possible », respectivement selon bloc 21 pour la variation de température, et bloc 22 pour la variation de siccité.
Une sonde 12 (Fig .1 ) de mesure de la teneur en protoxyde d'azote N2O des fumées en sortie de four fournit la valeur mesurée de la teneur en N2O.
L'algorithme programmé permet de corriger la valeur de consigne en fonction de la mesure de la teneur en N2O fournie par la sonde 12.
Pour une correction de la température de l'air de combustion, le bloc 13 peut commander, notamment, un échangeur de chaleur (non représenté) réchauffeur de l'air de combustion, à partir des fumées sortant du four, en modifiant le débit de fumées chaudes traversant le réchauffeur.
Le bloc 1 1 permet de corriger la siccité du combustible, notamment des boues, par exemple par action sur un dispositif de séchage du combustible avant introduction dans le four. Selon une autre possibilité, pour augmenter la température du lit, on peut commander un ajout de fioul au combustible. Il se produit alors une co- combustion.
Dans le cas où la température mesurée du lit est trop élevée par rapport à la valeur de consigne, la correction est effectuée au niveau de la correction de la température de l'air de combustion par le bloc 13 et de la correction de la siccité des boues par le bloc 1 1 , et le cas échéant par réduction du débit de combustible. II. Le contrôle de l'excès d'air en sortie de zone hétérogène
Selon Fig.6, l'excès d'air est contrôlé par action sur le débit d'air primaire traversant le lit, selon le bloc 23. Comme montré par le graphique de Fig.4, abaisser la quantité d'air primaire, et donc d'O2, conduit à contrôler la production de NOx. Un bloc 24 représente la prise en compte d'une fonction de correction f(NOx) d'après la teneur en NOx des fumées fournie par une sonde 20 (Fig .1 ) en sortie de postcombustion. La quantité d'air primaire est maintenue au niveau le plus bas possible. Cette action de contrôle de NOx est toutefois limitée par la différence de température ΔΤ entre le lit et la postcombustion, selon le bloc 25 qui introduit une fonction de correction ί(ΔΤ), afin d'assurer l'étagement de la combustion des hydrocarbures dévolatilisés. Le débit d'air primaire doit rester compris entre une valeur maximale Max, et une valeur minimale Min.
La variation de température entre le lit B et la sortie de la zone de postcombustion 5 est représentée sur Fig .1 par une ligne 17 en tirets, tracée dans un système de coordonnées dans lequel est portée en abscisse la hauteur d'un point de la zone 5 au-dessus du lit B, et en ordonnée la température au niveau de ce point. A titre d'exemple, la température peut être voisine de 800°C en sortie du lit B et de 850°C en sortie de la zone de postcombustion 5.
Il convient que la différence de température entre la sortie de la postcombustion 5 et le lit B ait une valeur suffisante, notamment d'au moins
50°C, afin d'assurer l'étagement de la combustion des hydrocarbures dévolatilisés.
Des valeurs A0 et B0 (B0<1 ) sont des réglages initiaux permettant seulement un ajustement au travers des fonctions de correction.
Une boucle G détermine une valeur corrigée B'0 tenant compte des fonctions de correction 25 ί(ΔΤ) et 24 f(NOx). Cette valeur B'0 sert au calcul du débit d'air primaire à partir du débit total d'air de combustion. La valeur (1- B'0) sert au calcul du débit d'air secondaire à partir du débit total d'air de combustion, en tenant compte de la fonction de correction 27 f(O2).
Comme le montre la figure 6, la réduction des NOx peut abaisser le coefficient proportionnel d'air primaire (B0 -> B'0) avec, pour conséquence, des gaz en sortie du lit B appauvris en oxygène. Le ratio stœchiométrique d'air global (A0) garantissant une combustion complète en postcombustion 5 pour une quantité de MV donnée est assuré par une augmentation du coefficient proportionnel d'air secondaire (1 -ΒΌ). L'abaissement de la quantité d'air primaire pour réduire la production d'oxydes d'azote NOx se trouve ainsi limitée par la nécessité d'une teneur en oxygène en sortie du lit fluidisé B.
Les coefficients A0 et B0 sont des réglages a priori. A0 définit la quantité d'air pour une tonne de matière sèche MS (par exemple 10000 Nm3/t). Donc pour une consigne de boue de 1 t/h de MS il faudra au global A0Nm3/h (par exemple 10000 Nm3/h) d'air de combustion qu'il va falloir répartir entre l'air primaire (air I) et l'air secondaire (air II).
C'est le rôle de B0 qui donne le ratio a priori air l/air II. Donc s'il n'y a pas de correction par rapport à NOx et ΔΤ alors B'0=B0. A contrario lorsqu'au moins une correction est active, le ratio est modifié et B'0 est différent de B0.
Jusque là, le réglage a priori A0 n'a pas été modifié. A0 doit être modifié si la quantité de matière volatile ou le PCI (pouvoir calorifique inférieur) de celle-ci évolue, et la mesure de la teneur en oxygène O2 global en est une indication. Si le résultat de la mesure le justifie, à ce moment, une action est menée sur l'air secondaire au moyen de la fonction de correction f(Û2) afin d'en tenir compte sans apporter de modification à l'air I car optimisé pour le contrôle des NOx.
Sur les Fig. 5 et Fig. 6, les fonctions de correction interviennent en tant que multiplicateurs, comme illustré par le signe X. Par exemple pour Fig 6 : le produit du débit de boues 28 par A0 donne le débit total air de combustion 29.
III. Le contrôle de l'excès d'air global.
La mesure de l'excès d'air global est assurée à l'aide d'une sonde 18 (Fig .1 ) de la teneur en oxygène des fumées sortant du four.
Afin d'assurer une combustion parfaite de la quantité de MV (matière volatile) introduite, la boucle de régulation G (Fig.6) avec moyen de calcul contrôle l'excès d'air global de la combustion par action sur le débit d'air secondaire, selon bloc 26, à partir de la mesure d'oxygène réalisée en sortie de four, selon fonction de correction du bloc 27. Le débit total des boues fourni par un bloc 28 permet de déterminer le débit total d'air de combustion, selon le bloc 29.
L'algorithme pourra être positivement amélioré par la mise en place d'une mesure de la teneur en oxygène directement dans la zone hétérogène constituée par le lit fluidisé B.
Toutefois, il n'existe pas actuellement de moyen satisfaisant pour effectuer une telle mesure directement dans le lit, notamment un lit de sable. Cette difficulté est surmontée par mesure à l'aide de la sonde 18 (Fig .1 ) de la teneur en oxygène des fumées sortant du four, et par calcul de l'oxygène consommé par la postcombustion correspondant à la différence entre la température de sortie du lit, mesurée par une sonde 10a, et la température de sortie de la postcombustion, mesurée par une sonde 10b.
Pour l'excès d'air global, il est souhaitable pour une bonne combustion qu'un faible excès d'oxygène soit présent en sortie dans les fumées. L'invention permet de maîtriser la quantité d'air dans le lit fluidisé et de réduire les oxydes d'azote NOx.
Le procédé de l'invention en limitant la production d'oxydes d'azote dans un four à lit fluidisé permet de limiter l'usage d'une réduction SNCR.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé pour conduire la combustion dans un four à lit fluidisé, notamment à lit de sable, selon lequel un débit d'air primaire de combustion est soufflé à travers le lit, le combustible étant constitué en particulier de déchets organiques, ou de déchets urbains, ou de boues de stations d'épuration, de l'air secondaire pouvant être injecté dans l'espace du four situé au-dessus du lit, caractérisé en ce que, afin de limiter la production d'oxydes d'azote NOx et de protoxyde d'azote N2O :
- on mesure, en sortie du four, la teneur des fumées en protoxyde d'azote N2O et en oxydes d'azote NOx ;
- on contrôle la température du lit fluidisé pour la maintenir à la valeur la plus haute admissible pour laquelle la production de protoxyde d'azote N2O est sensiblement réduite, tandis que la production d'oxydes d'azote NOx n'est pas sensiblement augmentée ;
- et on contrôle l'excès d'air dans le lit fluidisé pour le maintenir à la valeur la plus basse admissible pour laquelle la production d'oxydes d'azote NOx est réduite sans nuire à la combustion et à la température du lit.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il met en oeuvre une co-combustion avec un combustible d'appoint sous forme liquide, ou solide, ou gazeuse.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on effectue une introduction, dans le combustible, d'un réactif ou d'un support catalytique améliorant la dénitrification.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on contrôle la température du lit fluidisé pour la maintenir entre
700°C et 850°C.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en oxygène O2 dans le lit fluidisé est maintenue entre 0% et 6% en volume.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'excès d'air du lit fluidisé est contrôlé à partir d'une mesure de la teneur en oxygène O2 des fumées en sortie de four et de la différence de température entre les fumées en sortie de four et le lit fluidisé.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on agit sur le débit d'air secondaire pour maintenir l'excès d'air global à la plus basse valeur qui assure une combustion complète.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que :
- pour limiter la production de N2O, un algorithme est mis en œuvre dans un moyen de calcul d'une unité de régulation, comprenant en particulier un régulateur PID (19) ;
- une température de consigne (SP) du lit est introduite dans l'algorithme,
- la teneur en protoxyde d'azote N2O des fumées est mesurée, et la température de consigne est corrigée selon cette teneur en N2O mesurée,
- la température du lit (B) est mesurée et sa valeur est introduite dans l'unité de régulation,
- l'unité de régulation détermine, à partir de la différence entre température de consigne corrigée du lit et température mesurée du lit, l'action à exercer sur la température de l'air de combustion (13), et/ou sur la siccité du combustible (1 1 ), et/ou sur un ajout éventuel de combustible, en particulier de fioul, pour assurer la température de consigne corrigée.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la consigne de température (SP) du lit corrigée par rapport à l'émission de N2O est déterminée en utilisant un test (14), cette correction étant fondée sur l'évolution de la production de N2O sur une base de temps adaptée, en particulier de 30 minutes, ce test (14) consistant à vérifier si la production de N2O est en train d'augmenter et si elle reste inférieure à un seuil prédéterminé ; si le test (14) est valide la correction est orientée vers une augmentation de la température du lit , et si le test (14) n'est pas valide la correction est orientée vers une baisse de la température du lit ;
et en ce que avant l'augmentation de la température du lit un test (15a) est effectué sur la consigne (SP) en cours qui doit rester inférieure à la température maximale (Tmax) dans le lit, tandis qu'avant la baisse de la température du lit, un test (16a) est effectué sur la consigne (SP) en cours qui doit rester supérieure à la température minimale (Tmin) dans le lit.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que, pour contrôler la production de NOx, l'excès d'air dans le lit est contrôlé par action sur le débit d'air primaire traversant le lit (23), avec prise en compte d'une fonction de correction f(NOx) d'après la teneur en NOx des fumées en sortie de postcombustion, l'action de contrôle de NOx étant limitée par la différence de température (ΔΤ) entre le lit et la postcombustion, afin d'assurer l'étagement de la combustion des hydrocarbures dévolatilisés.
1 1 . Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'une boucle de régulation (G) contrôle l'excès d'air global de la combustion par action sur le débit d'air secondaire (26), à partir d'une mesure d'oxygène réalisée en sortie de four, le débit total de combustible (28) permettant de déterminer le débit total d'air de combustion.
12. Procédé selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que l'on détermine la teneur en oxygène du lit fluidisé par mesure de la teneur en oxygène des fumées en sortie de four, et par mesure de la différence de température entre la sortie de la zone de postcombustion et la sortie du lit, avec calcul de la quantité d'oxygène consommée lors de la postcombustion.
13. Installation pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un four de combustion à lit fluidisé, notamment à lit de sable, selon lequel un débit d'air primaire de combustion est soufflé à travers le lit, le combustible étant constitué en particulier de déchets organiques, ou de déchets urbains, ou de boues de stations d'épuration, de l'air secondaire pouvant être injecté dans l'espace du four situé au-dessus du lit, caractérisée en ce qu'elle comporte :
- des moyens de mesure (12, 20), en sortie du four, de la teneur des fumées en protoxyde d'azote N2O et en oxydes d'azote NOx ;
- une unité de régulation (H), comprenant en particulier un régulateur PID (19), avec un moyen de calcul (K) pour mise en œuvre d'un algorithme pour limiter la production de N2O;
- une entrée pour une température de consigne (SP) du lit dans l'algorithme, l'unité de régulation étant propre à corriger la température de consigne selon la teneur en protoxyde d'azote N2O des fumées,
- un moyen de mesure (10) de la température du lit (B), la valeur mesurée étant introduite dans l'unité de régulation, ladite unité de régulation (H) déterminant, à partir de la différence entre température de consigne corrigée du lit et température mesurée du lit, l'action à exercer sur la température de l'air de combustion (13), et/ou sur la siccité du combustible (1 1 ), et/ou sur un ajout éventuel de combustible, en particulier de fioul, pour assurer la température de consigne corrigée.
14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comporte :
- des moyens de contrôle (1 1 ,13 ;14,15,16) de la température du lit fluidisé pour la maintenir à la valeur la plus haute admissible pour laquelle la production de protoxyde d'azote N2O est sensiblement réduite, tandis que la production d'oxydes d'azote NOx n'est pas sensiblement augmentée ;
- et des moyens de contrôle (23) de l'excès d'air dans le lit fluidisé pour le maintenir à la valeur la plus basse admissible pour laquelle la production d'oxydes d'azote NOx est réduite sans nuire à la combustion et à la température du lit.
15. Installation selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle comporte, pour contrôler la production de NOx, un moyen de contrôle (23) de l'excès d'air par action sur le débit d'air primaire traversant le lit, avec prise en compte d'une fonction de correction f(NOx) (24) d'après la teneur en NOx des fumées en sortie de postcombustion, l'action de contrôle de NOx étant limitée par la différence de température (ΔΤ) entre le lit et la postcombustion, afin d'assurer l'étagement de la combustion des hydrocarbures dévolatilisés.
16. Installation selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de contrôle de l'excès d'air global, comprenant une sonde (18) de mesure de la teneur en oxygène O2 des fumées en sortie de four, des sondes de température (10a, 10b) pour fournir la différence de température entre les fumées en sortie de postcombustion et le lit fluidisé, et un bloc pour le calcul de l'oxygène consommé par la postcombustion correspondant à la différence de température entre la sortie du lit (B) et la sortie de la postcombustion.
17. Installation selon la revendication 16, caractérisée en ce qu'elle comporte une boucle de régulation (G) qui contrôle l'excès d'air global de la combustion par action sur le débit d'air secondaire (26), à partir d'une mesure d'oxygène réalisée en sortie de four, le débit total de combustible boues (28) permettant de déterminer le débit total d'air de combustion.
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