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Techniques de dpollution dans les applications industrielles de
combustionTcnicas de descontaminacin en
instalaciones industriales de combustin
Tudor Florea/Sbastien Caillatcole des Mines de Douai
Dpartement nergtique IndustrielleTudor.Florea@ensm-douai.fr / Sebastien.Caillat@ensm-douai.fr
Avril 2008
PREFALC / Grupo de Ciencia y Tecnologa del Gas y Uso Racional de la Energa Gasure, Univ. de AntioquiaUniv. Central de Venezuela / CORIA INSA-Univ. de Rouen / cole des Mines de Douai
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SommaireSommaire
I. Principes de combustionII. Principaux polluants misIII. Mthodes de rductions des polluants
Pollution de lair : prsence de matires indsirables dans lair, en quantits suffisantes pour provoquer des effets nfastes sur la sant
humaine, la vgtation, lenvironnement et les matires
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I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion11. D. Dfinitionsfinitions
Combustibles : C H2 S | O2 N2 | eau + cendres (...) Oxydation complte du carbone : C + O2 -> CO2 + 393 kJ.mol-1 Ralit :y 2 C + O2 -> 2 CO + 220 kJ.mol-1 (rapide)y 2 CO + O2 2 CO2 + 173 kJ.mol-1 (lente, plus rapide si H2)
Hydrogne : 2 H2 + O2 => 2 H2O Soufre : S + O2 => SO2 Mthane :
y 325 ractions, 53 espces !y GRImech 3.0 pour CH4
http://www.me.berkeley.edu/gri-mech/
http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/
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Oxydation rapide, avec ou sans flammeRactifs => Combustion => Produits
Stchiomtrie : quantit doxydant strictement ncessaire pour brler compltement la quantit de combustible
Flamme : Premlange, non-premlange ou de diffusion
Facteurs importants : mlange (temps de sjour), turbulence, temprature, excs dair
Produits de combustion+ chaleur
Combustible+ comburant
I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion11. D. Dfinitionsfinitions
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ExempleExemple
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I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion11. D. Dfinitionsfinitions
Pouvoir calorifique Quantit de chaleur dgage par la combustion complte de l'unit de
quantit de combustible (sous pression atmosphrique normale de 1,013 bar, le combustible et le comburant tant 0C et les produits de la combustion tant ramens 0C).
Unit lgale : J/kg (1 kWh = 3,6 MJ, kWh/kg, kWh/(n)m3)
Pouvoir calorifique suprieur (PCS) Leau rsultant de la combustion est ramene l'tat liquide dans les
produits de combustion.Pouvoir calorifique infrieur (PCI) l'eau de combustion est l'tat de vapeur dans les produits de combustion.
Temprature adiabatique de flamme Temprature obtenue thoriquement si la chaleur dgage par la
combustion sert uniquement accrotre la temprature des produits de combustion
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Exemples de pouvoirs calorifiquesExemples de pouvoirs calorifiquesCombustible PCI en MJ/kg
Super carburant 46,6
Fioul domestique 42,6
Fioul lourd 40,3
Charbon 23,0 30,0
Bois 8,0
Dchets industriels 12,5 33,4
Bagasse 11,7
Dchets de bois, sciures 8,4
Dchets mnagers 6,3 12,5
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Exemples de pouvoirs Exemples de pouvoirs comburivorescomburivores et fumiget fumignesnes
Combustible Air consomm stochio.Pouvoir comburivore (n)m3
Fumes misesPouvoir fumigne (n)m3
Butane 29,3 31,8
Propane 23,3 25,1
Gaz naturel 10,3 11,4
Fioul domestique 11,0 11,8
Fioul lourd 10,6 11,2
Charbon (variable)
8,5 9,0
Bois (variable) 4,5 5,2
9/65La combustion et les flammes, R. Borghi, M. Destriau, d. Technip, 1995
Georges de La Tour (1593 - 1652)
I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion2. Flammes2. Flammes
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I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion3. Propagation de flammes3. Propagation de flammes
Briquet
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StabilitStabilit des flammesdes flammes Si vitesse de lcoulement > vitesse de
propagation => soufflage
Stabilisateurs de flamme Moyens externes : flamme pilote /
tincelle Moyen interne : gaz brls / chaleury Recirculation, entranementy Obstacles (bluff-body)
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Types de flammesTypes de flammes
Laminaires Prmlanges / Non-prmlanges
Turbulentes Prmlangesy Moteurs explosion, turbines
Non-prmlangesy Majorit des systmesy Faibles missions plus difficilesy Caractristiques : forme, stabilit,
transferts
Instabilit, fluctuations (alatoires)
Flamme plate (PC2A)
Flammes Turbulentes (Mitsui Babcock)
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Gaseous fuelsGaseous fuels
Mainly mixes of gazes:y Methane (80-98 % in natural gas) y Hydrocarbons (C3H8, C2H2)y CO (low reaction rate)y Inert gases: N2, CO2, H2Oy H2 highly inflammabley Coke oven gaz (CH4,H2,CO,)y Biogases (CH4, CxHy, inerts)
Gas combustion velocities
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CaractCaractristiques des gazristiques des gaz
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InflammabilitInflammabilit
Combustible Densit
Hydrogne 0,07
Mthane 0,55
CO 0,97
Propane 1,51
Butane 1,93
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I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion4. Combustion de liquides4. Combustion de liquides
Buncefield (11/12/2005)
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I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion5. Gouttes5. Gouttes
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Moteur allumage commandPropagation de la flamme, sans turbulence
Propagation de la flamme, avec turbulence
Moteur Diesel, injection directe
Cliquetis
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Combustibles liquidesCombustibles liquides Distillats (krosne, gasoil) Relativement lgers, viscosit faible
moyenne Rsidus (fuel lourds) Rchauffage ncessaire Proprits variables
Proprits Viscosit leve -> nergie datomisation Fuels lourds quasi solide basse
tempratures Impurets -> formation de polluants
1 baril de ptrole = 42 gallons US (159 L) 1/4 essences 1/8 krosnes 1/2 gasoil, fuels 1/8 rsidus lourds
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I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion6. Combustion du bois6. Combustion du bois
tapes de la combustion du bois :Vaporisation de leau volution et combustion des gaz volatilsCombustion du carbone solide
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I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion6. Combustion du bois6. Combustion du bois
Paille, centrale de Masned, DK
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Combustion en paroisCombustion en parois
Flamme le long dune paroi verticale couverte de polymre
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BiomassBiomass
Wood log, bricks, pellets, straw Fast growing plantsNon homogeneousCellulose, hemicellulosesApproximation: C6H8,39O3,54N0,1Humidity, max 1 % ashesBark composition differentCo-combustion with coal
http://www.offwell.free-online.co.uk/
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Wood combustionWood combustion
Weiss 4 MW boiler
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BiomasseBiomasse
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I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion7. Charbon7. Charbon
http://europa.eu.int/comm/energy_transport/
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Types de charbonsTypes de charbons
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Coal combustionCoal combustion Coal includes all coals, both primary (including hard coal
and lignite) and derived fuels (including patent fuel, coke oven coke, gas coke, BKB, coke oven gas and blast furnace gas), peat.
Sedimentary rock, carbon, hydrocarbons, minerals, water Solids and volatils (0% Coke 60 % lignite) Physico-chemicals steps: Water vaporisation Evolution and combustion
of gas volatils (CO, H2, CxHy) Changes of mineral phase Solid carbon combustion (slower)
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StabilitStabilit des flammesdes flammes Paramtres affectant la stabilit Arodynamique de la combustion Air en rotation Rapport air (+ comb.) primaire /
secondaire Excs dair Vitesse de combustion
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Centrale thermique Centrale thermique charbon pulvcharbon pulvrisris
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Industrial boilerIndustrial boiler
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quipements de quipements de combustioncombustion
Foyer charbon pulvrisTrs grandes puissances (centrales thermiques)
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Foyer fluidis cendres agglomresGrande souplesse de marche - Puissance de 5 250 MW
quipements de combustionquipements de combustion
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Coal combustionCoal combustion
Fixed BedFluidized bed (good for desulfurization)Circulating Fluidized bed Pulverized
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Bilan massique1 tonne de dchets mnagers :200 to 300 kg de mchefers10 to 30 kg de cendres (changeurs)10 to 30 kg de cendres (filtres)25 to 80 kg de rsidus des traitement des fumes5 000 Nm3 de fumes ( traiter !)
I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion8. Combustion des d8. Combustion des dchetschets
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WastesWastes
Combustible Renewables & Waste comprise biomass and animal products (wood, vegetal waste, ethanol, animal materials / wastes), municipal waste (wastes produced by the residential, commercial and public service sectors that are collected by local authorities for disposal in a central location for the production of heat and/or power) and industrial waste.
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Four MartinFour Martin
Sous la grille de multiples soufflets (air primaire, une fente par barreau).Au dessus, pour achever la combustion des gaz, de multiples buses dair secondaire sur 2 fois 2 ranges.
Air secondaire
Airprimaire
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Four rotatif dincinration
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Traitement denrobage routier
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Pouvoir calorifique des constituants des dchets mnagers et industriels.
Catgorie de dchet Pouvoir calorifique (MJ/kg)Restes de repas 28,5Feuilles mortes 20,6Bois, journaux 19,6
Fleurs, plantes, pluchures 19,2Matires plastiques 18,0Emballages papiers 18,0
Textiles 17,4Cartons 17,1
Poussires 15,7Magazines 12,7Cendres 8,0
Emballages industriels 18,4Dchets dusine 16,3
Dchets de restaurants 15,0Chiffons et toupes de nettoyage 12,5Dchets hpitaux et laboratoires 8,0 12,5
Abats de boucherie 5,9Balayures dusine 4,2 6,3
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Traitement des dTraitement des dchetschets
Stratgies de gestion (OCDE/parlement Europen) 5 niveaux hirarchiss1. Prvention2. Rutilisation3. Recyclage4. Valorisation nergtique5. limination
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Traitement des dTraitement des dchetschets
Prventiony Rduire poids, volume, nocivity Technologies propres
Rutilisationy Proche prvention, pas tout prix
Recyclagey Valorisation matire minrale ou organiquey Papier, plastique, verre, mtaux, biomassey Pneumatiques, huiles de vidange, solvants,
vhicules, lectromnager, lectronique
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Traitement des dTraitement des dchetschets
Valorisation nergtiquey Produits drivs du ptrole ou gaz naturely Drivs biomasse
Choix entre recyclage et valorisation nergtique=> Analyse du cycle de vie=> Paramtres conomiques & sociaux
liminationy Dchets ultimes : risques toxiques &
cotoxiques
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Traitement des dTraitement des dchetschets
Dfinition des dchetsRcupration & recyclageTraitements in-situTraitements en centres collectifsCaractrisation, rception, stockageTraitements physico-chimiquesTraitements thermiques
Stockage des rsidus ultimes
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Valorisation chimiqueValorisation chimique
Dcomposition des molcules constituant les polymres en matires premires utilisable en raffinage, ptrochimie ou chimie
PyrolyseAbsence dO2 : hydrocarbures, rsidus carbons
Hydrocraquage Chaleur, H2 : huiles hydrocarbones
GazificationPrsence dO2 : CO + H2 (fabrication mthanol, NH3)
Chimiolyse
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Traitements thermiquesTraitements thermiques
Fosse de rception FourGrille, chambre de combustion
Bilan thermique Fumes 15-25 %, rayonnement 1-5 %, mchefers 0,5-2,5 %,
Imbrls carbone 1-5 %
Conception des chaudiresValorisation de la chaleurCots de traitement
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I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion9. Br9. Brleur en chaudileur en chaudirere
IFRF
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BrBrleursleurs Caractristiques principales Flamme stable Faibles missions (CO, NOx,
imbruls) Bi-combustibles (gaz, fuel,
charbon)
Rotation / nombre de swirl Rapport quantits de
mouvements angulaires et axiales
Nombreuses dfinitions : difficile calculer ou mesurer
Utilisable sur une mme installation, rarement pour comparer des installations entre elles
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BrBrleursleurs
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Combustion de spraysCombustion de sprays
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Combustion de spraysCombustion de sprays
Combustion de liquides : atomisation et distribution dans la zone de combustionAtomisation par jets :
nergie cintique du liquideAtomiseur swirl : forces
centrifugesPulvrisateur mcanique :
vapeur, gazUltrasons, lectrostatiques
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ConceptionConceptiondes brdes brleursleurs
Injecteurs fuel
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BrBrleur fuelleur fuel
Dbit de combustible : 6-7 tonnes/hTemprature primaire : >100 CTemprature secondaire : 300-315 CVitesse jet primaire : 25-27 m.s-1Vitesse jet secondaire : 30-35 m.s-1Concentration combustible : 300-320 g.m3
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Combustion du charbonCombustion du charbon
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AArodynamiquerodynamique
Mlange combustible / air prpondrantMauvaise matrise de lairMauvaise distribution dair entre les brleurs Mauvaise combustionTransfert de chaleur, forme de la flammeDirection de la flamme -> dtrioration des
rfractaires ou des tubes
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Foyer cycloneFoyer cyclone
Bonne combustion
Mauvaises combustions
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SystSystmes monomes mono--brbrleurleur
Chaudires tube de fumesRchauffeurs dairFours et scheurs rotatifsCiments, coke de ptrole,Minerais daluminium, chrome, titaneMlanges matire organique / minraleIncinration dchets spciaux ou mdicaux
Souvent systmes de brleur complets
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FoursFoursrotatifsrotatifs
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Fours rotatifsFours rotatifs
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SystSystmes multimes multi--brbrleursleurs
Procds trs varis Ptrochimie, mtallurgie, aciries, verrerie
Chaudires tube deau / vapeur pour la production dnergie Quatre six brleurs pour petites units Jusqu 64 brleurs (centrales de 600 MWe)
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Moteurs fusMoteurs fusee
Moteur-fuse bi-liquide
Moteur-fuse propergol solide
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I : PrincipeI : Principess de combustionde combustion10. Proc10. Procdds de combustions de combustion
Quel est le procd ?Quantit de chaleur ncessaire ?Quels combustibles disponibles ?Procd adapt ?Combustible adapt ?Procd efficace ?Procd propre ?
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EfficacitEfficacitssEfficacit globale installationType et proprits du combustibleMlange combustible / oxydantTransfert radiatif, convectifEncrassement / scorification (slagging / fouling)
Efficacit de la combustionConception, rglage du brleurCombustion complte ou pasCO et fumes : indicateurs sur la qualit
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Influence du combustibleInfluence du combustible
Proprits du combustiblemissivit (suies) -> transfert radiatifTempratures de flammechanges thermiques : encrassement, scorificationStabilit de flamme : vitesse, volatilit
HumiditCharbon jusqu 60 %, boues dpuration 90 % nergie latente de vaporisation > rduit transfert
SommaireI : Principes de combustion1. DfinitionsExempleExemples de pouvoirs calorifiquesExemples de pouvoirs comburivores et fumignesStabilit des flammesTypes de flammesGaseous fuelsCaractristiques des gazInflammabilitCombustibles liquidesCombustion en paroisBiomassWood combustionBiomasseTypes de charbonsCoal combustionStabilit des flammesCentrale thermique charbon pulvrisIndustrial boilerCoal combustionWastesFour MartinTraitement des dchetsTraitement des dchetsTraitement des dchetsTraitement des dchetsValorisation chimiqueTraitements thermiquesBrleursBrleursCombustion de spraysCombustion de spraysConceptiondes brleursBrleur fuelCombustion du charbonArodynamiqueFoyer cycloneSystmes mono-brleurFoursrotatifsFours rotatifsSystmes multi-brleursMoteurs fuseEfficacitsInfluence du combustible