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1/65 Techniques de dépollution dans les applications industrielles de combustio

1/65 Techniques de dépollution dans les applications industrielles de combustion Técnicas de descontaminación en instalaciones industriales de combustión Tudor Florea/Sébastien Caillat École des Mines de Douai Département Énergétique Industrielle Tudor.Florea@ensm-douai.fr / Sebastien.Caillat@ensm-douai.fr Avril 2008 PREFALC / Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Gasure, Univ. de Antioquia Univ. Central de Venezuela / CORIA INSA-Univ. de Rouen / École des Mines de Douai 2/65 Sommaire Sommaire I. Principes de combustion II. Principaux polluants émis III. Méthodes de réductions des polluants Pollution de l’air : présence de matières indésirables dans l’air, en quantités suffisantes pour provoquer des effets néfastes sur la santé humaine, la végétation, l’environnement et les matières 3/65 I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 1 1. D . Dé éfinitions finitions ¾ Combustibles : C H2 S | O2 N2 | eau + cendres (...) ¾ Oxydation complète du carbone : C + O2 -> CO2 + 393 kJ.mol-1 ¾« Réalité » : 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) ¾ Hydrogène : 2 H2 + O2 => 2 H2O ¾ Soufre : S + O2 => SO2 ¾ Méthane : y 325 réactions, 53 espèces ! y GRImech 3.0 pour CH4 http://www.me.berkeley.edu/gri-mech/ http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/ 4/65 ¾ Oxydation rapide, avec ou sans flamme Réactifs => Combustion => Produits ¾ Stœchiométrie : quantité d’oxydant strictement nécessaire pour brûler complètement la quantité de combustible ¾ Flamme : Premélangée, non-premélangée ou de diffusion ¾ Facteurs importants : mélange (temps de séjour), turbulence, température, excès d’air Produits de combustion + chaleur Combustible + comburant I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 1 1. D . Dé éfinitions finitions 5/65 Exemple Exemple 6/65 I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 1 1. D . Dé éfinitions finitions Pouvoir calorifique ¾ Quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de l'unité de quantité de combustible (sous pression atmosphérique normale de 1,013 bar, le combustible et le comburant étant à 0°C et les produits de la combustion étant ramenés à 0°C). ¾ Unité légale : J/kg (1 kWh = 3,6 MJ, kWh/kg, kWh/(n)m3) Pouvoir calorifique supérieur (PCS) ¾ L’eau résultant de la combustion est ramenée à l'état liquide dans les produits de combustion. Pouvoir calorifique inférieur (PCI) ¾ l'eau de combustion est à l'état de vapeur dans les produits de combustion. Température adiabatique de flamme ¾ Température obtenue théoriquement si la chaleur dégagée par la combustion sert uniquement à accroître la température des produits de combustion 7/65 Exemples de pouvoirs calorifiques Exemples de pouvoirs calorifiques Combustible PCI en MJ/kg Super carburant 46,6 Fioul domestique 42,6 Fioul lourd 40,3 Charbon 23,0 à 30,0 Bois 8,0 Déchets industriels 12,5 à 33,4 Bagasse 11,7 Déchets de bois, sciures 8,4 Déchets ménagers 6,3 à 12,5 8/65 Exemples de pouvoirs Exemples de pouvoirs comburivores comburivores et fumig et fumigè ènes nes Combustible Air consommé stoéchio. Pouvoir comburivore (n)m3 Fumées émises Pouvoir fumigène (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 9/65 La combustion et les flammes, R. Borghi, M. Destriau, éd. Technip, 1995 Georges de La Tour (1593 - 1652) I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 2. Flammes 2. Flammes 10/65 I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 3. Propagation de flammes 3. Propagation de flammes Briquet 11/65 Stabilit Stabilité é des flammes des flammes ¾ Si vitesse de l’écoulement > vitesse de propagation => soufflage ¾ Stabilisateurs de flamme ¾ Moyens externes : flamme pilote / étincelle ¾ Moyen interne : gaz brûlés / chaleur y Recirculation, entraînement… y Obstacles (bluff-body) 12/65 Types de flammes Types de flammes ¾ Laminaires ¾ Prémélangées / Non-prémélangées ¾ Turbulentes ¾ Prémélangées y Moteurs à explosion, turbines ¾ Non-prémélangées y Majorité des systèmes y Faibles émissions plus difficiles y Caractéristiques : forme, stabilité, transferts ¾ Instabilité, fluctuations (aléatoires) Flamme plate (PC2A) Flammes Turbulentes (Mitsui Babcock) 13/65 Gaseous fuels Gaseous fuels ¾Mainly mixes of gazes: y Methane (80-98 % in natural gas) y Hydrocarbons (C3H8, C2H2…) y CO (low reaction rate) y Inert gases: N2, CO2, H2O y H2 highly inflammable y Coke oven gaz (CH4,H2,CO,…) y Biogases (CH4, CxHy, inerts) Gas combustion velocities 14/65 Caract Caracté éristiques des gaz ristiques des gaz 15/65 Inflammabilit Inflammabilité é Combustible Densité Hydrogène 0,07 Méthane 0,55 CO 0,97 Propane 1,51 Butane 1,93 16/65 I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 4. Combustion de liquides 4. Combustion de liquides Buncefield (11/12/2005) 17/65 I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 5. Gouttes 5. Gouttes 18/65 Moteur à allumage commandé Propagation de la flamme, sans turbulence Propagation de la flamme, avec turbulence Moteur Diesel, injection directe Cliquetis 19/65 Combustibles liquides Combustibles liquides ¾ Distillats (kérosène, gasoil…) ¾ Relativement légers, viscosité faible à moyenne ¾ Résidus (fuel lourds…) ¾ Réchauffage nécessaire ¾ Propriétés variables ¾ Propriétés ¾ Viscosité élevée -> énergie d’atomisation ¾ Fuels lourds quasi solide à basse températures ¾ Impuretés -> formation de polluants ¾ 1 baril de pétrole = 42 gallons US (159 L) ¾ 1/4 essences ¾ 1/8 kérosènes ¾ 1/2 gasoil, fuels… ¾ 1/8 résidus lourds 20/65 I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 6. Combustion du bois 6. Combustion du bois ¾Étapes de la combustion du bois : ¾Vaporisation de l’eau ¾Évolution et combustion des gaz volatils ¾Combustion du carbone solide 21/65 I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 6. Combustion du bois 6. Combustion du bois Paille, centrale de Masnedø, DK 22/65 Combustion en parois Combustion en parois Flamme le long d’une paroi verticale couverte de polymère 23/65 Biomass Biomass ¾ Wood log, bricks, pellets, straw… ¾ Fast growing plants ¾ Non homogeneous ¾ Cellulose, hemicelluloses ¾ Approximation: C6H8,39O3,54N0,1 ¾ Humidity, max 1 % ashes ¾ Bark composition different ¾ Co-combustion with coal http://www.offwell.free-online.co.uk/ 24/65 Wood combustion Wood combustion Weiss 4 MW boiler 25/65 Biomasse Biomasse 26/65 I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 7. Charbon 7. Charbon http://europa.eu.int/comm/energy_transport/ 27/65 Types de charbons Types de charbons 28/65 Coal combustion Coal combustion ¾ 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. ¾ Sedimentary rock, carbon, hydrocarbons, minerals, water ¾ Solids and volatils (0% Coke – 60 % lignite) ¾ Physico-chemicals steps: ¾ Water vaporisation ¾ Evolution and combustion of gas volatils (CO, H2, CxHy…) ¾ Changes of mineral phase ¾ Solid carbon combustion (slower) 29/65 Stabilit Stabilité é des flammes des flammes ¾ Paramètres affectant la stabilité ¾ Aérodynamique de la combustion ¾ Air en rotation ¾ Rapport air (+ comb.) primaire / secondaire ¾ Excès d‘air ¾ Vitesse de combustion 30/65 Centrale thermique Centrale thermique charbon pulv charbon pulvé éris risé é 31/65 Industrial boiler Industrial boiler 32/65 É Équipements de quipements de combustion combustion Foyer à charbon pulvérisé Très grandes puissances (centrales thermiques) 33/65 Foyer fluidisé à cendres agglomérées Grande souplesse de marche - Puissance de 5 à 250 MW É Équipements de combustion quipements de combustion 34/65 Coal combustion Coal combustion ¾Fixed Bed ¾Fluidized bed (good for desulfurization) ¾Circulating Fluidized bed ¾Pulverized 35/65 Bilan massique ¾1 tonne de déchets ménagers : ¾200 to 300 kg de mâchefers ¾10 to 30 kg de cendres (échangeurs) ¾10 to 30 kg de cendres (filtres) ¾25 to 80 kg de résidus des traitement des fumées ¾5 000 Nm3 de fumées (à traiter !) I : Principe I : Principes s de combustion de combustion 8. Combustion des d 8. Combustion des dé échets chets 36/65 Wastes Wastes ¾ 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. 37/65 38/65 Four Martin Four Martin Sous la grille de multiples soufflets (air primaire, une fente par barreau). Au dessus, pour achever la combustion des gaz, de multiples buses d’air secondaire sur 2 fois 2 rangées. Air secondaire Air primaire 39/65 Four rotatif d’incinération 40/65 Traitement d’enrobage routier 41/65 Pouvoir calorifique des constituants des déchets ménagers et industriels. Catégorie de déchet Pouvoir calorifique (MJ/kg) Restes de repas 28,5 Feuilles mortes 20,6 Bois, journaux 19,6 Fleurs, plantes, épluchures 19,2 Matières plastiques 18,0 Emballages papiers 18,0 Textiles 17,4 Cartons 17,1 Poussières 15,7 Magazines 12,7 Cendres 8,0 Emballages industriels 18,4 Déchets d’usine 16,3 Déchets de restaurants 15,0 Chiffons et étoupes de nettoyage 12,5 Déchets hôpitaux et laboratoires 8,0 à 12,5 Abats de boucherie 5,9 Balayures d’usine 4,2 à 6,3 42/65 Traitement des d Traitement des dé échets chets Stratégies de gestion uploads/Industriel/ master-1.pdf