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WO2018115499A1 - Procede et installation de denitrification des fumees de combustion - Google Patents

Procede et installation de denitrification des fumees de combustion Download PDF

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WO2018115499A1
WO2018115499A1 PCT/EP2017/084508 EP2017084508W WO2018115499A1 WO 2018115499 A1 WO2018115499 A1 WO 2018115499A1 EP 2017084508 W EP2017084508 W EP 2017084508W WO 2018115499 A1 WO2018115499 A1 WO 2018115499A1
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WO
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nitrogen oxide
effluent
oxide content
reducing
reactor
Prior art date
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Application number
PCT/EP2017/084508
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English (en)
Inventor
Frédéric Duong
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Vigie Groupe SAS
Original Assignee
Suez Groupe SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suez Groupe SAS filed Critical Suez Groupe SAS
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    • F23J2219/00—Treatment devices
    • F23J2219/20—Non-catalytic reduction devices

Definitions

  • the technical field of the invention relates to the treatment of industrial fumes and more particularly the denitrification of combustion fumes.
  • the wet process is based on iso-enthalpic cooling of fumes to bring them in the presence of water at their saturation conditions. Under these conditions, the cooled and saturated fumes will undergo a series of treatments that will have the effect of transferring the pollutants from the gas phase into the liquid phase.
  • the purified gas phase may be rejected in accordance with the regulations; the liquid phase must be treated either specifically or by a return to the top of the station, as long as this return is admissible.
  • the dry process processes the fumes as they are at the output of the energy recovery unit by ensuring that the temperature is compatible with the technologies applied.
  • This assumes a controlled cooling system that can be either indirect because of the presence of an exchanger, either direct by addition of ambient air or by water spray.
  • the semi-wet system is a hybrid system between wet and dry systems trying to retain the benefits and limit the disadvantages of each system.
  • the wet system has two major drawbacks: the production of water which contains dissolved salts is particularly penalizing when the dust load is very high; the need for treatment of the purges from the different washing steps.
  • the dry system has two major drawbacks: the need to cool the fumes before entering the treatment chain (this conditioning is particularly strict when it comes to bag filters) and the dry system-specific reaction overstoichiometry which represents a significant operating cost.
  • the semi-wet system therefore consists of preceeding the wet treatment, that is to say the scrubbers, by a reaction tower in which the purges are sprayed and evaporated.
  • This system is only possible if the sensible heat contained in the fumes makes it possible to compensate for the evaporation and overheating of the water contained in these purges.
  • the crystallization salts are recovered at the bottom of this tower or in the bag filter. This principle is only suitable for fumes with little dust, so it applies well to pyrolysis processes in which case it is very economical both in investment and in the costs of reagents but difficult to incineration processes such as bed fluidized.
  • SNCR Selective Non Catalytic Reduction
  • SNCR is one of the most cost-effective NOx reduction techniques. It results from reduction reactions that take place at high temperature (850 to 1050 ° C) between NOx and ammonia, urea or cyanuric acid injected into the fumes.
  • the oxidation-reduction reactions are as follows:
  • This non-catalytic process has the advantage of being simple to implement. However, if the reducer is incorrectly dosed, the residence time is too short or the temperature is too low ( ⁇ 300 ° C) then the fumes are more concentrated in ammonia, the emission rate of which is also controlled.
  • SCR is a catalytic process that reduces NOx emissions.
  • Urea or ammonia precursor ⁇ is injected into the flue gas upstream of the SCR reactor where the catalyst is located.
  • the reducing agent is sprayed before being injected into the flue gas.
  • the NOx is then reduced by the injected reagent to form molecular nitrogen (N 2 ) and water (H 2 0) on the catalyst surface according to the following chemical reactions.
  • the operating temperature very widely between 170 ° C and more than 540 ° C, is generally optimal between 300 ° C and 400 ° C. Ammonia losses are mostly negligible once the installation is optimized.
  • the life of the catalyst depends largely on the fuel composition and varies with the amount of "poisons" (heavy or other metals) it contains. It is however easy to replace a catalyst reached at the end of life but the cost for such a replacement is very high. In addition, regular maintenance is also necessary to avoid clogging catalysts that eventually turn off and it becomes necessary to change them. This process has the advantage of operating at low temperatures but the operating expenses are very important.
  • the SCR makes it possible to cut down large quantities of NOx, but at the cost of major economic and environmental disadvantages, whereas the SNCR, which is more economical, does not make it possible to achieve a nitrogen oxide removal efficiency. as high as the SCR.
  • EfW Energy From Waste
  • SCR catalytic flue gas denitrification
  • US Pat. No. 5,853,683 and patent application CN 102716665 describe processes for reducing the level of NOx in flue gases in which an SNCR is placed upstream of an SCR.
  • This prior passage in a SNCR reduces the fouling of the SCR due to a high content of pollutants such as NOx and limit operating expenses.
  • the coupling of a pre-SCR SNCR optimizes the reducing capacity of the SCR NOx, which is particularly useful for the treatment of fumes with a high NOx content.
  • One of the aims of the present invention is therefore to provide a process for the denitrification of a gaseous effluent from a combustion system, said gaseous effluent being capable of containing nitrogen oxides, said process comprising a first stage of treatment of said effluent gas with a first system for reducing the nitrogen oxide content upstream of a second system for reducing the nitrogen oxide content which is a reactor to selective catalytic reduction, said SCR reactor, and said method being characterized in that only a first portion of the effluent at the outlet of the first system for reducing the nitrogen oxide content is brought into contact with the SCR reactor, a second part of said effluent at the outlet of the reduction system being diverted in a controlled manner to a draft fan.
  • gaseous effluent and “combustion fumes” are synonymous.
  • the step of bringing into contact with two systems for reducing the nitrogen oxide content according to the invention has the advantage of limiting the use of the second SCR reactor thus limiting operating and maintenance expenses.
  • the first system for reducing the nitrogen oxide content may be located above the combustion system firebox.
  • the method comprises a second step of defining the flow rate of the second part of the effluent by means of measuring the nitrogen oxide content of the effluent at the outlet of the effluent.
  • first system for reducing the nitrogen oxide content first system for reducing the nitrogen oxide content.
  • this second step of defining the flow rate of the second part of the effluent is carried out by the implementation of measuring means which make it possible to control the degree of opening of the means for diverting the second part of the effluents. so that the reduction rate of nitrogen oxides is at least 30%, and preferably at least 50%, relative to the initial content measured at the inlet of the SNCR reactor.
  • the measuring means are connected to a calculation unit for the definition of the flow rate of the second part of the effluent, which interacts directly or indirectly on the means to divert the second part of the effluents to allow to obtain a rate of abatement in nitrogen oxides in accordance with the regulations in force.
  • the term “measuring means” means any means known to those skilled in the art capable of measuring the content of nitrogen oxides, or even other acidic gases, such as a sensor and / or or analyzer.
  • the term "means for diverting” any means, known to those skilled in the art, allowing the computing unit to modulate the amount of effluent to divert, such as a motorized register or a valve.
  • Adaptation of the diversioned gaseous effluent flow as a function of the measurement of the NOx content limits the "bottleneck" effect usually observed shortly before the chimney outlet, in particular at the draft fan.
  • the emission of NOx at the outlet of the stack is stabilized and the load of the combustion furnace can be optimized.
  • the method according to the invention may furthermore comprise a third step of analysis of the effluents that have passed through the SCR reactor, and which have passed through the reduction zone above the furnace, and that measure the oxides content. nitrogen of said effluents.
  • the amount of the second part of effluent diverted upstream of the SNCR is between 10 to 50%, preferably 10 to 30%, of the quantity of effluent coming out of the first system for reducing the nitrogen oxide content.
  • the quantity of the second effluent portion may be controlled in particular by a control means using as a control parameter the measurement of the nitrogen oxide content of said effluents.
  • the process according to the invention makes it possible to obtain a reduction rate of nitrogen oxides at the outlet of the SNCR reactor of at least 30%, and preferably at least 50%, by relative to the initial content measured at the inlet of the SNCR reactor to nitrogen oxides.
  • said method is able to cope with the variability of nitrogen oxide rejection regulations while guaranteeing a relatively low operating expense (OPEX).
  • Another aspect of the invention relates to an installation for carrying out the process for the denitrification of gaseous effluent from a combustion system according to the invention, comprising in a flow direction of the effluent:
  • vs. means for feeding the effluent from the first system to the second system
  • said means for diverting the second part of the effluents are controlled by said measuring means as a function of the nitrogen oxide contents measured at the outlet of said first reduction system.
  • the means for measuring the nitrogen oxide contents at the outlet of the first system for reducing the nitrogen oxide content make it possible to control the degree of opening of the means for diverting the second part of the effluents so that the nitrogen oxide reduction ratio is at least 30%, and preferably at least 50%, relative to the initial content measured at the inlet of the SNCR reactor.
  • the measuring means are connected to a computing unit, which interacts directly or indirectly with the means for diverting the second part of the effluents to enable a rate to be obtained. nitrogen oxide abatement in accordance with the regulations in force.
  • the term “measuring means” means any means known to those skilled in the art capable of measuring the content of nitrogen oxides, or even other acidic gases, such as a sensor and / or or analyzer.
  • the term "means for diverting” any means, known to those skilled in the art, allowing the computing unit to modulate the amount of effluent to divert, such as a motorized register or a valve.
  • the means for diverting the second portion of effluent are adapted to divert an amount of the second part of effluent between 10 to 50%, preferably between 10 to 30%, of the quantity of effluent at the outlet of the first system for reducing the nitrogen oxide content.
  • the first system for reducing the nitrogen oxide content is a thermal system for reducing the NOx content, and may in particular be a staged combustion or "overfire", a means of vapogasification with water supply, or a selective non-catalytic reduction reactor, said SNCR reactor.
  • staged combustion or "overfire” is understood to mean any staged combustion as practiced on the grate furnaces, that is to say any combustion comprising at least two distinct reaction stages where the first The combustion step is reducing at a relatively low temperature (about 1000 ° C) followed by a second stepped oxidation step of CO at higher temperature (> 1150 ° C).
  • vapogasification with steam supply or "vapogasification”, any system based on the principle of a supply of water vapor and combustion air.
  • said first system When said first system is an "overfire” or a vapogasification, it has the advantage of reducing the temperature of the combustion chamber which is favorable to the limitation of the formation of NOx.
  • Figure 1 is a diagram illustrating an example of a denitrification plant and a combustion system known from the state of the art.
  • Figure 2 is a diagram illustrating an example of a denitrification plant and a combustion system according to one embodiment of the invention.
  • Figure 1 The installation of Figure 1 includes a waste incinerator (1) and a boiler (8)
  • the gaseous effluents circulate through a desaturator (3).
  • the desaturator (3) is a first crossed exchanger. After the first passage of the effluents through the desaturator, the fumes are fed to a scrubber (4) before circulating again through the desaturator (3) during a second pass.
  • the scrubber (4) cools the gaseous effluents at about 60 ° C to neutralize all the active gases, such as S0 2 , S 2 and Cl.
  • the gaseous effluents thus washed are then reheated to about 126 ° C. of their second passage in the desaturator (3).
  • the effluents are conveyed to a second cross exchanger (5) from where they are directed to a catalytic reduction reactor (6) and then to the second exchanger and then to the draft fan (7).
  • the scrubber has the effect of neutralizing the acid gases.
  • the installation of Figure 2 comprises a non-catalytic reduction reactor (11) as the first reduction system. This SNCR reactor is located between an incineration furnace (1) and a boiler (8).
  • the SNCR is composed of at least one level of ammonium injection, preferably three levels of ammonium injection, in order to limit by at least 60% the formation of NOx in the gaseous effluents.
  • the gaseous effluents whose temperature approaches 220 ° C, pass through the electrostatic precipitator (2) where an electrostatic current attracts the dust contained in the fumes to limit the health impacts, and in particular the nuisances to the respiratory system due to these dusts.
  • the gaseous effluents circulate through a desaturator (3) from which the fumes are fed to a scrubber (4) before circulating again through the desaturator (3) so that first part of the effluent is finally conveyed to the cross exchanger (5) and a second part is bypassed towards the draft fan (7) by means of a motorized valve or register which separates the effluent stream into a first part and a second part.
  • This circulation of the gaseous effluents is allowed thanks to the cross organization of the currents within the desaturator (3).
  • the gaseous effluents entering the desaturator (3) have a temperature close to 210 ° C and are cooled to about 140 ° C during their first pass.
  • the scrubber (4) cools the gaseous effluents at about 60 ° C to neutralize all the active gases, such as S0 2 , S 2 and Cl.
  • the gaseous effluents thus washed are then reheated to about 126 ° C. of their second passage in the desaturator (3) before a first part is conveyed to the cross exchanger (5) and a second part is diverted to the draft fan (7).
  • the gaseous effluents leaving the desaturator (3) pass first through the cross exchanger (5) where they are heated to 220 ° C before being fed to the second reduction system (6), which is a catalytic reduction reactor (SCR).
  • SCR reactor (6) limits by approximately 61% the formation of NOx in the flue gases.
  • the gaseous effluents leaving the reactor (6) were heated to 240 ° C to be cooled to 140 ° C during their second pass in cross exchanger (5) before being brought to the draft fan (7) by which the gaseous effluents will be released into the atmosphere.
  • FIG. 2 comprises an SNCR reactor (11) providing a preliminary treatment of the fumes to reach a value close to 180 mg / Nm 3 over the entire flue gas stream at the boiler outlet and the SCR reactor (6) ensures finishing on 75% of the flow with an adjusted rejection to reach the maximum overall rejection value.
  • an SNCR reactor (11) relieves the load of the cross exchanger (5) and the SCR reactor (6) by approximately 25%, thus limiting the energy impact of the various bottlenecks on the treatment of combustion fumes and to obtain a significant operating operating margin.
  • the objective is to stabilize the boiler load at nominal walking (MN) for 8000 h / year.
  • Table 1 Comparative table of the various data relating to installations comprising an SCR reactor alone or in combination with an SNCR reactor which can be combined with an exchanger.
  • results obtained are due to a controlled regulation of the denitrification at the SNCR reactor in order to obtain an optimal reduction of the discharges at the boiler outlet and also to limit the excesses of reagent in form N H3.
  • the regulation of the SCR reactor will be such that the mixing of the flow from the SCR reactor and the diverted flow makes it possible to reach the guaranteed regulatory threshold.
  • the SCR bypass rate setting will be established based on the effectiveness of the SCR; the higher the efficiency, the more it will be possible to work around it and vice versa. This will allow on the one hand to increase the load of the furnace and also reduce the power consumption of the draft fan, since the pressure drop of the catalysts will be significantly reduced.

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Abstract

Procédé de dénitrification d'un effluent gazeux provenant d'un système de combustion, ledit effluent gazeux étant susceptible de contenir des oxydes d'azote, ledit procédé comprenant une première étape de traitement dudit effluent gazeux avec un premier système de réduction (11) de la teneur en oxyde d'azote situé en amont d'un second système de réduction (6) de la teneur en oxyde d'azote, ledit second système (6) étant un réacteur à réduction catalytique sélective, dit réacteur SCR, et ledit procédé étant caractérisé en ce que seule une première partie de l'effluent en sortie du premier système de réduction (11) de la teneur en oxyde d'azote est mise en contact avec le réacteur SCR (6), une deuxième partie dudit effluent en sortie du système de réduction (11) étant détournée de manière contrôlée vers un ventilateur de tirage (7).

Description

PROCÈDE ET INSTALLATION DE DENITRIFICATION DES FUMÉES DE COMBUSTION
Le domaine technique de l'invention concerne le traitement des fumées industrielles et plus particulièrement la dénitrification des fumées de combustion.
La combustion de matières hydrocarbonées, quelles qu'elles soient, conduit à la production d'effluents gazeux riches en dioxyde de carbone (C02) et en oxydes d'azote (NOx). Ces gaz obtenus par combustion font l'objet d'une surveillance particulière du fait de leurs impacts sanitaires et environnementaux, l'un étant un gaz à effet de serre et les autres étant classés polluants atmosphériques réglementés. Ainsi, les industries mettant en œuvre des incinérateurs doivent limiter leurs émissions de C02 et de NOx pour laquelle le rejet doit être inférieur à la réglementation imposée par la Directive 2000/76/EC sur l'incinération des déchets du 4 décembre 2000 (Waste Incinération Directive) en vigueur (200 mg/Nm3), voire bien inférieur selon les permis environnementaux (80 mg/Nm3). Plusieurs types de procédés connus permettent l'épuration des acides des fumées de combustion. Les principaux sont les suivants :
Le procédé humide est fondé sur le refroidissement iso-enthalpique des fumées pour les amener en présence d'eau à leurs conditions de saturation. Dans ces conditions, les fumées refroidies et saturées vont subir une série de traitements qui vont avoir pour effet de transférer les agents polluants de la phase gazeuse dans la phase liquide. La phase gazeuse épurée pourra être rejetée conformément à la réglementation ; la phase liquide devra être traitée soit de manière spécifique, soit par un retour en tête de station, pour autant que ce retour soit admissible.
À l'opposé du traitement humide, le procédé sec traite les fumées telles qu'elles se présentent à la sortie de l'unité de valorisation énergétique en faisant le nécessaire pour que la température soit compatible avec les technologies appliquées. Ceci suppose un système contrôlé de refroidissement qui peut être soit indirect du fait de la présence d'un échangeur, soit direct par addition d'air ambiant ou par pulvérisation d'eau.
Enfin, le système semi-humide est un système hybride entre les systèmes humide et sec tentant de conserver les avantages et de limiter les inconvénients de chacun des systèmes. Le système humide a deux inconvénients majeurs : la production d'eau qui contient des sels dissous particulièrement pénalisante quand la charge en poussières est très élevée ; la nécessité d'un traitement des purges provenant des différentes étapes de lavage. Le système sec a deux inconvénients majeurs : la nécessité de refroidir les fumées avant de rentrer dans la chaîne de traitement (ce conditionnement est particulièrement strict lorsqu'il s'agit de filtres à manches) et la surstœchiométrie réactionnelle propre au système sec qui représente un coût d'exploitation significatif.
Le système semi-humide consiste donc à faire précéder le traitement humide, c'est-à-dire les laveurs, par une tour de réaction dans laquelle on pulvérise et évapore les purges. Ce système n'est possible que si la chaleur sensible contenue dans les fumées permet de compenser l'évaporation et la surchauffe de l'eau contenue dans ces purges. Les sels de cristallisation sont récupérés en bas de cette tour ou dans le filtre à manche. Ce principe ne peut convenir qu'aux fumées peu chargées en poussières, il s'applique donc bien aux procédés de pyrolyse auquel cas, il est très économique tant en investissement qu'en frais de réactifs mais difficilement aux procédés d'incinération de type lit fluidisé.
Par ailleurs, les traitements des fumées de combustion aboutissant à la réduction des émissions des agents polluants, en particulier de NOx, peuvent être réalisés
- soit par un procédé de réduction non catalytique sélective (Sélective Non Catalytic Réduction ou SNCR) mis en œuvre par un réacteur à réduction non catalytique sélective, dit réacteur SNCR, - soit par un procédé de réduction catalytique sélective (Sélective
Catalytic Réduction ou SCR), mis en œuvre par un réacteur à réduction catalytique sélective, dit réacteur SNCR,
- soit par couplage de ces deux procédés. La SNCR est l'une des techniques de réduction des NOx qui présente le meilleur rapport « coût-efficacité ». Elle résulte des réactions de réduction qui s'opèrent à haute température (850 à 1050°C) entre les NOx et l'ammoniac, l'urée ou l'acide cyanurique injecté dans les fumées. Les réactions d'oxydo-réduction sont les suivantes :
Réaction principale : 4 NH3 + 4 NO + 02→ 4 N2 + 6 H20
Réaction secondaire : 4 NH3 + 5 02→ 4 NO + 6 H20 La SNCR doit s'effectuer à des températures précises afin de privilégier la réaction principale de réduction, cette dernière étant en compétition avec la réaction secondaire d'oxydation qui est à éviter. En effet, à plus basse température trop peu de radicaux NH, actifs sont formés tandis qu'à plus haute température, d'autres réactions apparaissent qui favorisent la production de NO. D'autres paramètres peuvent intervenir dans l'optimisation de la réduction de NOx en réponse aux variations de charge au niveau du four, comme par exemple la teneur initiale en NO, le temps de séjour, la présence ou non d'additifs.
Dans des conditions tout à fait optimales, il est possible d'atteindre un taux de dénitrification de l'ordre de 90%, équivalent à celui de la SCR. Mais dans la pratique, le taux se situe généralement entre 40 et 65%.
Ce procédé non catalytique a l'avantage d'être simple à mettre en œuvre. Cependant en cas de mauvais dosage du réducteur, de temps de séjour trop court ou de température trop basse (<300°C) alors les fumées sont plus concentrées en ammoniac, gaz dont les taux d'émission sont également contrôlés.
La SCR est un procédé catalytique permettant de réduire les émissions des NOx. De l'urée ou de l'ammoniac, précurseur de ΝΗ,, est injecté dans les fumées en amont du réacteur SCR où se trouve le catalyseur. L'agent de réduction est pulvérisé avant d'être injecté dans les fumées. Les NOx sont ensuite réduits par le réactif injecté pour former de l'azote moléculaire (N2) et de l'eau (H20) à la surface du catalyseur selon les réactions chimiques suivantes.
En utilisant de l'ammoniac comme agent réducteur :
4 NH3 + 4 NO + 02→ 4 N2 + 6 H20
8 NH3 + 6 N02→ 7 N2 + 12 H20 En utilisant de l'urée comme agent réducteur :
2 (NH2)2CO + 4 NO + 02 + 2 H20→ 4 N2 + 6 H20 + C02
4 (NH2)2CO + 6 N02 + 2 H20→ 7 N2 + 12 H20 + 4 C02 La SCR se caractérise par un taux de réduction élevé, souvent supérieur à
90%, pour un dosage d'ammoniac proche de la stœchiométrie, limitant les risques de fuites. La température opératoire, très largement comprise entre 170°C et plus de 540°C, est généralement optimale entre 300°C et 400°C. Les pertes d'ammoniac sont le plus souvent négligeables une fois l'installation optimisée. La durée de vie du catalyseur dépend en grande partie de la composition du combustible et varie avec la quantité de « poisons » (métaux lourds ou autres) qu'il contient. Il est cependant facile de remplacer un catalyseur parvenu en fin de vie mais le coût pour un tel remplacement est très élevé. En outre, un entretien régulier est également nécessaire pour éviter l'encrassement des catalyseurs qui finissent par se désactiver et il devient nécessaire de les changer. Ce procédé présente l'avantage d'opérer à basse température mais les dépenses d'exploitation sont très importantes.
Autrement dit, la SCR permet d'abattre de grandes quantités de NOx, mais au prix d'inconvénients économiques et environnementaux majeurs, tandis que la SNCR, plus économique, ne permet pas d'atteindre un rendement d'élimination des oxydes d'azote aussi élevé que la SCR.
Les unités de valorisation énergétique des déchets (Energy From Waste ou EfW) sont souvent équipées de réacteurs de dénitrification catalytique des fumées de combustion (SCR) pour atteindre un seuil de rejet inférieur à 80 mg/Nm3 de NOx. Ces réacteurs et ses périphériques représentent, la plupart du temps, un goulot d'étranglement au sein de l'installation nécessitant soit de limiter la charge du four en dessous de sa capacité nominale, soit de ne pouvoir l'augmenter lorsque le gisement des déchets le permet, ce qui représente une perte de charge importante.
D'autre part, la perte de charge du catalyseur et de ses équipements associés, notamment de l'échangeur croisé dans le cas d'un traitement des fumées humide, est élevée représentant un second goulot d'étranglement pour le ventilateur de tirage.
Par ailleurs le remplacement de ces équipements SCR + échangeur est coûteux et il est difficile d'augmenter leur taille du fait d'un encombrement important.
Ainsi, du fait des avantages quant à la réduction des NOx et les coûts élevés d'exploitation de la SCR, de nombreux procédés de dénitrification de fumées de combustion prévoient le couplage des procédés SCR et SNCR.
Ainsi, le brevet US 5 853 683 et la demande de brevet CN 102716665 décrivent des procédés de réduction du taux de NOx dans les fumées de combustion dans lesquels une SNCR est placée en amont d'une SCR. Ce passage préalable dans une SNCR permet de diminuer l'encrassement de la SCR dû à une forte teneur en polluants tels que les NOx et de limiter les dépenses d'exploitation. En outre, le couplage d'une SNCR préalable à une SCR optimise la capacité réductrice des NOx de la SCR, ce qui est particulièrement utile pour le traitement de fumées dont le taux de NOx est élevé.
Cependant ces systèmes ne permettent ni de satisfaire à la réglementation en matière de rejet qui est très stricte et exige un seuil de rejet de NOx inférieur à 80 mg/Nm3, ni de satisfaire le seuil de rejet maximal de Nh dans les fumées assujetti à l'excès de réactif de la SNCR.
Par conséquent il existe un besoin de fournir un procédé d'optimisation de la dénitrification des fumées de combustion sans apporter de modification des caractéristiques d'un réacteur catalytique (SCR) existante et permettant de libérer le goulot d'étranglement des fumées.
Un des buts de la présente invention est donc de fournir un procédé de dénitrification d'un effluent gazeux provenant d'un système de combustion, ledit effluent gazeux étant susceptible de contenir des oxydes d'azote, ledit procédé comprenant une première étape de traitement dudit effluent gazeux avec un premier système de réduction de la teneur en oxyde d'azote situé en amont d'un second système de réduction de la teneur en oxyde d'azote qui est un réacteur à réduction catalytique sélective, dit réacteur SCR, et ledit procédé étant caractérisé en ce que seule une première partie de l'effluent en sortie du premier système de réduction de la teneur en oxyde d'azote est mise en contact avec le réacteur SCR, une deuxième partie dudit effluent en sortie du système de réduction étant détournée de manière contrôlée vers un ventilateur de tirage.
Dans le cadre de la présente invention, on considère que les termes « effluent gazeux » et « fumées de combustion » sont synonymes. L'étape de mise en contact avec deux systèmes de réduction de la teneur en oxyde d'azote selon l'invention a pour avantage de limiter l'usage du second réacteur SCR limitant ainsi les dépenses d'exploitation et de maintenance.
En outre, le détournement contrôlé d'une partie de l'effluent en sortie du système de réduction permet de façon tout à fait surprenante d'optimiser la charge du four de combustion par la réduction significative de la perte de pression statique du débit d'effluent gazeux à l'aspiration du ventilateur de tirage.
Le premier système de réduction de la teneur en oxyde d'azote peut être situé au-dessus du foyer du système de combustion.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé comprend une deuxième étape de définition du débit de la deuxième partie de l'effluent au moyen de la mesure de la teneur en oxydes d'azote de l'effluent à la sortie du premier système de réduction de la teneur en oxyde d'azote.
Conformément à l'invention, cette deuxième étape de définition du débit de la deuxième partie de l'effluent est réalisée par la mise en œuvre de moyens de mesure qui permettent de contrôler le degré d'ouverture des moyens pour détourner la deuxième partie des effluents de sorte que le taux d'abattement en oxydes d'azote soit d'au moins 30%, et de préférence d'au moins 50%, par rapport à la teneur initiale mesurée à l'entrée du réacteur SNCR.
Pour ce faire, les moyens de mesures sont reliés à une unité de calcul pour la définition du débit de la deuxième partie de l'effluent, laquelle interagit directement ou indirectement sur les moyens pour détourner la deuxième partie des effluents pour permettre d'obtenir un taux d'abattement en oxydes d'azote en adéquation avec les réglementations en vigueur.
Conformément à l'invention, on entend par « moyens de mesures » tout moyen, connu de l'Homme du métier, apte à mesurer la teneur en oxydes d'azote, voire d'autres gaz acides, tel qu'un capteur et/ou analyseur.
Conformément à l'invention, on entend par « moyens pour détourner » tout moyen, connu de l'Homme du métier, permettant à l'unité de calcul de moduler la quantité d'effluent à détourner, comme par exemple un registre motorisé ou une vanne.
L'adaptation du débit d'effluent gazeux détourné en fonction de la mesure de la teneur en NOx limite l'effet « goulot d'étranglement » habituellement observé peu avant la sortie de cheminée, en particulier au niveau du ventilateur de tirage. Ainsi, l'émission des taux de NOx en sortie de cheminée est stabilisée et la charge du four de combustion peut être optimisée.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une troisième étape d'analyse des effluents ayant traversé le réacteur SCR, et ayant traversé le cas échéant la zone de réduction au-dessus du foyer, et de mesure de la teneur en oxydes d'azote desdits effluents.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, la quantité de la deuxième partie d'effluent détournée en amont de la SNCR est comprise entre 10 à 50%, de préférence 10 à 30%, de la quantité d'effluent sortant du premier système de réduction de la teneur en oxyde d'azote.
Dans un mode de réalisation particulier, la quantité de la deuxième partie d'effluent peut être contrôlée notamment par un moyen de commande utilisant comme paramètre de commande la mesure de la teneur en oxyde d'azote desdits effluents.
Le procédé selon l'invention, et ce, quelle que soit la combinaison prise en considération, permet l'obtention d'un taux d'abattement en oxydes d'azote en sortie du réacteur SNCR d'au moins 30%, et de préférence d'au moins 50%, par rapport à la teneur initiale mesurée à l'entrée du réacteur SNCR en oxydes d'azotes.
De ce fait, ledit procédé est apte à faire face à la variabilité des réglementations en matière de rejet d'oxydes d'azotes tout en garantissant un coût de dépense d'exploitation (OPEX) relativement faible.
Un autre aspect de l'invention porte sur une installation pour la mise en œuvre du procédé de dénitrification d'effluent gazeux provenant d'un système de combustion selon l'invention, comprenant dans un sens d'écoulement de l'effluent :
a. un premier système de réduction pouvant être au-dessus du foyer de la teneur en oxyde d'azote,
b. un second système de réduction de la teneur en oxyde d'azote qui est un réacteur SCR en aval,
c. des moyens d'amenée de l'effluent du premier système au second système,
d . des moyens pour détourner une deuxième partie des effluents à la sortie du premier système de réduction de la teneur en oxyde d'azote vers un ventilateur de tirage,
e. des moyens de mesure de la teneur en oxydes d'azote de l'effluent à la sortie du premier système de réduction de la teneur en oxyde d'azote.
En particulier, lesdits moyens pour détourner la deuxième partie des effluents sont contrôlés par lesdits moyens de mesure en fonction des teneurs en oxydes d'azote mesurées en sortie dudit premier système de réduction.
En effet, les moyens de mesure des teneurs en oxydes d'azote en sortie du premier système de réduction de la teneur en oxyde d'azote permettent de contrôler le degré d'ouverture des moyens pour détourner la deuxième partie des effluents de sorte que le taux d'abattement en oxydes d'azote soit d'au moins 30%, et de préférence d'au moins 50%, par rapport à la teneur initiale mesurée à l'entrée du réacteur SNCR. Pour ce faire, les moyens de mesures sont reliés à une unité de calcul, laquelle interagit directement ou indirectement sur les moyens pour détourner la deuxième partie des effluents pour permettre d'obtenir un taux d'abattement en oxydes d'azote en adéquation avec les réglementations en vigueur.
Conformément à l'invention, on entend par « moyens de mesures » tout moyen, connu de l'Homme du métier, apte à mesurer la teneur en oxydes d'azote, voire d'autres gaz acides, tel qu'un capteur et/ou analyseur.
Conformément à l'invention, on entend par « moyens pour détourner » tout moyen, connu de l'Homme du métier, permettant à l'unité de calcul de moduler la quantité d'effluent à détourner, comme par exemple un registre motorisé ou une vanne.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention les moyens pour détourner la deuxième partie d'effluent sont adaptés pour détourner une quantité de la deuxième partie d'effluent comprise entre 10 à 50%, de préférence entre 10 à 30%, de la quantité d'effluent en sortie du premier système de réduction de la teneur en oxyde d'azote.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le premier système de réduction de la teneur en oxyde d'azote est un système thermique de réduction de la teneur en NOx, et peut notamment être une combustion étagée ou « overfire », un moyen de vapogazéification avec apport d'eau, ou un réacteur de réduction non catalytique sélective, dit réacteur SNCR.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « combustion étagée » ou « overfire » toute combustion étagée telle que pratiquée sur les fours à grilles, c'est-à-dire toute combustion comprenant au moins deux étapes réactionnelles distinctes où la première étape de combustion est réductrice à une température relativement basse (environ 1000°C) suivie d'une deuxième étape d'oxydation étagée du CO à plus haute température (> 1150°C).
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « vapogazéification avec apport de vapeur d'eau » ou « vapogazéification », tout système reposant sur le principe d'une alimentation en vapeur d'eau et en air comburant.
Lorsque ledit premier système est un « overfire » ou une vapogazéification, il présente l'avantage de réduire la température du foyer de combustion ce qui est favorable à la limitation de la formation des NOx. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre ainsi que des figures sans toutefois s'y limiter.
La Figure 1 est un schéma qui illustre un exemple d'installation de dénitrification et d'un système de combustion connue de l'état de la technique.
La Figure 2 est un schéma qui illustre un exemple d'installation de dénitrification et d'un système de combustion selon un mode de réalisation de l'invention.
La numérotation des différents éléments des installations sont identiques pour les deux figures.
L'installation de la Figure 1 comprend un four d'incinération des déchets (1) et une chaudière (8)
Les effluents gazeux, en sortie de la chaudière (8) dont la température avoisine 200°C, passent dans un dépoussiéreur électrostatique (2) où un courant électrostatique attire les poussières contenues dans les fumées permettant de limiter les impacts sanitaires, et en particulier les nuisances au système respiratoire dues à ces poussières.
Une fois les fumées débarrassées des poussières des fumées, les effluents gazeux circulent au travers d'un désaturateur (3). Le désaturateur (3) est un premier échangeur croisé. Après le premier passage des effluents au travers du désaturateur, les fumées sont amenées vers un laveur (4) avant de circuler à nouveau au travers du désaturateur (3) au cours d'un deuxième passage.
Le laveur (4) refroidit les effluents gazeux à environ 60°C pour neutraliser l'ensemble des gaz actifs, tels que le S02, le S2 et le Cl. Les effluents gazeux ainsi lavés sont ensuite réchauffés à environ 126°C lors de leur deuxième passage dans le désaturateur (3). En sortie du désaturateur, les effluents sont acheminés à un second échangeur croisé (5) d'où ils sont dirigés vers un réacteur de réduction catalytique (6) puis vers second échangeur puis vers le ventilateur de tirage (7). Le laveur a pour effet de neutraliser les gaz acides. L'installation de la Figure 2 comprend un réacteur de réduction non catalytique (11) en tant que premier système de réduction. Ce réacteur SNCR est situé entre un four d'incinération (1) des déchets et une chaudière (8).
La SNCR est composée d'au moins un niveau d'injection d'ammonium, de préférence de trois niveaux d'injection d'ammonium, afin de limiter d'au moins 60% la formation de NOx au sein des effluents gazeux.
Puis, les effluents gazeux, dont la température avoisine 220°C, passent dans le dépoussiéreur électrostatique (2) où un courant électrostatique attire les poussières contenues dans les fumées permettant de limiter les impacts sanitaires, et en particulier les nuisances au système respiratoire dues à ces poussières.
Une fois les fumées débarrassées des poussières , les effluents gazeux circulent au travers d'un désaturateur (3) d'où les fumées sont amenées vers un laveur (4) avant de circuler à nouveau au travers du désaturateur (3) pour qu'une première partie des effluents soit finalement acheminée à l'échangeur croisé (5) et une deuxième partie soit contournée vers le ventilateur de tirage (7) au moyen d'une vanne ou registre motorisé qui sépare le flux d'effluent en une première partie et une deuxième partie. Cette circulation des effluents gazeux est permise grâce à l'organisation croisée des courants au sein du désaturateur (3). Les effluents gazeux entrant dans le désaturateur (3) ont une température proche de 210°C et sont refroidis à environ 140°C lors de leur premier passage.
Le laveur (4) refroidit les effluents gazeux à environ 60°C pour neutraliser l'ensemble des gaz actifs, tels que le S02, le S2 et le Cl. Les effluents gazeux ainsi lavés sont ensuite réchauffés à environ 126°C lors de leur deuxième passage dans le désaturateur (3) avant qu'une première partie soit acheminée vers l'échangeur croisé (5) et qu'une deuxième partie soit détournée vers le ventilateur de tirage (7) .
De même que lors du passage dans le désaturateur (3), les effluents gazeux en sortie du désaturateur (3) passent une première fois au travers de l'échangeur croisé (5) où ils y sont réchauffés à 220°C avant d'être acheminés au second système de réduction (6), celui-ci étant un réacteur de réduction catalytique (SCR). Le réacteur SCR (6) permet de limiter d'environ 61% la formation de NOx dans les fumées de combustion. Les effluents gazeux en sortie du réacteur (6) ont été réchauffés à 240°C pour être refroidis à 140°C lors de leur deuxième passage dans échangeur croisé (5) avant d'être amenés au niveau du ventilateur de tirage (7) par lequel les effluents gazeux seront libérés dans l'atmosphère.
L'installation de la figure 2 comprend un réacteur SNCR (11) assure un traitement préliminaire des fumées pour atteindre une valeur voisine de 180 mg/Nm3 sur la totalité du flux des fumées en sortie de chaudière et le réacteur SCR (6) assure la finition sur 75% du flux avec un rejet ajusté pour atteindre la valeur globale maximum de rejet.
Par conséquent, l'ajout d'un réacteur SNCR (11) soulage d'environ 25% la charge de l'échangeur croisé (5) et du réacteur SCR (6) limitant ainsi l'impact énergétique des différents goulots d'étranglement sur le traitement des fumées de combustion et permettant d'obtenir une marge de fonctionnement d'exploitation significative. L'objectif étant de stabiliser la charge de la chaudière à la marche nominale (MN) pendant 8000 h/an.
Les résultats comparatifs obtenus avec des installations comprenant soit un réacteur SCR seul, soit un réacteur SCR combiné avec un réacteur SNCR lequel peut être combiné à un échangeur sont représentés dans le Tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1 - Tableau comparatif des différentes données relatives à des installations comprenant un réacteur SCR seul ou combiné avec un réacteur SNCR lequel peut être combiné à un échangeur.
Figure imgf000015_0001
En outre, l'installation telle que décrite à la Figure 2 présente les avantages nts :
- diminution de la perte de charge de l'échangeur croisé (5) de 40%,
- diminution de la consommation électrique du ventilateur de tirage à 100 kWe,
- rétablissement d'un excès d'air acceptable avec 7% de taux d'02,
- possibilité d'augmenter le débit global des fumées en cas de besoin (pouvoir calorifique inférieur, ou PCI, faible dû à la forte humidité des déchets),
- diminution de la formation de sulfate d'ammonium dans le réacteur SCR (6), et
- rendement amélioré.
Les résultats obtenus sont dus à une régulation pilotée de la dénitrification au niveau du réacteur SNCR afin d'obtenir une réduction optimale des rejets en sortie chaudière et également de limiter les excès de réactif sous forme N H3.
La régulation du réacteur SCR se fera de sorte que le mélange du flux en provenance du réacteur SCR et le flux détourné permettent d'atteindre le seuil réglementaire garanti.
Le réglage du débit de contournement de la SCR sera établi selon l'efficacité de la SCR ; plus l'efficacité sera élevée plus il sera possible de la contourner et inversement. Ceci permettra d'une part d'augmenter la charge du four et également de réduire la consommation électrique du ventilateur de tirage, car la perte de charge des catalyseurs sera significativement réduite.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de dénitrification d'un effluent gazeux provenant d'un système de combustion, ledit effluent gazeux étant susceptible de contenir des oxydes d'azote, ledit procédé comprenant une première étape de traitement dudit effluent gazeux avec un premier système de réduction ( 11) de la teneur en oxyde d'azote situé en amont d'un second système de réduction (6) de la teneur en oxyde d'azote, ledit second système (6) étant un réacteur à réduction catalytique sélective, dit réacteur SCR, et ledit procédé étant caractérisé en ce que seule une première partie de l'effluent en sortie du premier système de réduction ( 11) de la teneur en oxyde d'azote est mise en contact avec le réacteur SCR (6), une deuxième partie dudit effluent en sortie du système de réduction ( 11) étant détournée de manière contrôlée vers un ventilateur de tirage (7) .
Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième étape de définition du débit de la deuxième partie de l'effluent au moyen de la mesure de la teneur en oxydes d'azote de l'effluent à la sortie du premier système de réduction ( 11) de la teneur en oxyde d'azote.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre une troisième étape d'analyse des effluents ayant traversé le réacteur SCR (6) et de mesure de la teneur en oxydes d'azote desdits effluents.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la quantité de la deuxième partie d'effluent détournée est comprise entre 10 à 50%, de préférence 10 à 30%, de la quantité d'effluent sortant du premier système de réduction ( 11) de la teneur en oxyde d'azote.
Installation de dénitrification pour la mise en œuvre du procédé selon les revendications 1 à 4, comprenant dans un sens d'écoulement de l'effluent : a. un premier système (11) de réduction de la teneur en oxyde d'azote, b. un second système (6) de réduction de la teneur en oxyde d'azote qui est un réacteur SCR en aval,
c. des moyens d'amenée de l'effluent gazeux du premier système (11) au second système (6),
d. des moyens pour détourner une deuxième partie des effluents à la sortie du premier système (11) de réduction de la teneur en oxyde d'azote vers un ventilateur de tirage (7),
e. des moyens de mesure de la teneur en oxydes d'azote de l'effluent à la sortie du premier système (11) de réduction de la teneur en oxyde d'azote.
6. Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que lesdits moyens pour détourner la deuxième partie des effluents sont contrôlés par lesdits moyens de mesure en fonction des teneurs en oxydes d'azote mesurées en sortie dudit premier système de réduction (11).
7. Installation selon la revendication 5 ou 6 caractérisée en ce que le premier système de réduction (11) de la teneur en oxyde d'azote est soit une combustion étagée, soit un moyen de vapogazéification avec apport d'eau, soit un réacteur de réduction non catalytique sélective, dit SNCR.
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