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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 [email protected] / [email protected]

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


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ExempleExemple

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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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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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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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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

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