Reduction des NOx - traitement primaire : adapter la combustion

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La plus grosse partie - et même la totalité avec les combustibles qui ne contiennent pas d'azote, comme le gaz naturel - des oxydes d'azote formés dans les chambres de combustion provient de la réaction entre l'azote et l'oxygène de l'air comburant et cette réaction est d'autant plus "efficace" que la température de combustion est élevée. D'où le principe de tous les brûleurs et chambre de combustion "bas NOx" : diminuer la température de la flamme, sans toutefois augmenter la production de monoxyde de carbone (CO). Il faut donc trouver le meilleur compromis.

Les brûleurs bas-NOx classiques
Les brûleurs bas-NOx traditionnels font appel à quatre types de procédés :

La recirculation des fumées : Elle réduit la concentration en oxygène et la température de la flamme. Très efficace avec les combustibles gazeux, elle l'est moins avec le fuel lourd, dont la qualité de combustion se dégrade rapidement. On distingue la recirculation externe et la recirculation interne. La première a pour inconvénient d'appeler une consommation d'électricité supplémentaire (celle des ventilateurs) et d'entraîner des risques de corrosion si le combustible est soufré. La seconde, dans laquelle la recirculation est induite par les brûleurs eux-mêmes, supprime ces inconvénients.


L'étagement de l'air : On crée une première zone de combustion en défaut d'air et on apporte l'excès d'air nécessaire en aval. Cette méthode peut s'appliquer au niveau de la chaudière, si la taille du foyer le permet (par exemple dans les chaudières à charbon pulvérisé), ou directement au niveau du brûleur, avec un risque de formation de CO si les entrées d'air secondaire sont mal situées.


L'étagement du combustible : A l'inverse de la méthode précédente, on crée une première zone de combustion à fort excès d'air, donc à basse température, suivie d'une zone secondaire riche en combustible où les radicaux hydrocarbonés réduisent le NO formé en N2. Cette méthode est très utilisée avec les combustibles gazeux mais elle est plus difficile avec les liquides pour lesquels les constructeurs ont dû développer des atomiseurs spéciaux. Le reburning suit le même principe, appliqué à la chaudière.
Les brûleurs bas-NOx de première génération utilisaient tous l'une de ces quatre solutions. La seconde génération combine généralement trois d'entre elles et permettent d'atteindre des taux de réduction des NOx de 40 à 60%, la limite étant fixée par l'apparition de CO avec le gaz ou d'imbrûlés solides avec les liquides. La société EGCI Pillard, par exemple, a d'abord mis au point un brûleur à étagement de combustible puis, pour des raisons de volume de flamme trop importants pour certains foyers, s'est tournée vers la recirculation des fumées. Dans son brûleur gaz LONOxFLAM de seconde génération, la recirculation, cette fois interne, est combinée à l'étagement du combustible. La taille de la flamme n'étant pas modifiée, il peut être monté sur toutes les chaudières, y compris à tubes de fumées, et permet d'obtenir moins de 100 mg/Nm3 de NOx jusqu'à une charge thermique de 600 à 700 kW/m3, ce qui correspond à la grande majorité des chaudières industrielles.

Un type de brûleur bas NOx plus nouveau est le brûleur radiant à pré-mélange: le mélange air-combustible s'écoule à travers un matériau poreux et passe dans la chambre de combustion à une vitesse inférieure à la vitesse de flamme. Le front de flamme se stabilise à l'intérieur de ce matériau poreux et la température de la flamme est limitée du fait qu'une partie de l'énergie se dégage par rayonnement de la surface du brûleur. On parvient ainsi à réduire de 90% la formation des NOx. Cependant, la résistance du matériau poreux limite la charge surfacique admissible et ce type de brûleur est plutôt réservé aux installations de faible puissance. Au-delà, le coût serait trop important. Une autre solution faisant appel à un brûleur à pré-mélange est celle de la combustion catalytique. Son gros avantage est de permettre une combustion stable de mélanges très pauvres en combustible sans rejet d'imbrûlés. Elle allie un faible coût à une très bonne performance environnementale.

Dans le cas des turbines à gaz, les deux procédés classiques d'abattement primaire des NOx sont l'injection d'eau et l'injection de vapeur, mais ils présentent le double inconvénient d'avoir des performances limitées tout en augmentant sensiblement les coûts opératoires. Les constructeurs se sont donc tournés vers la mise au point de chambres de combustion sèches (technique DLN, pour "Dry Low NOx") et leurs travaux s'orientent soit vers la conception de la chambre elle-même, soit vers l'adaptation des brûleurs évoqués ci-dessus (poreux ou catalytiques).

Brûleur en céramique poreuse
Le brûleur en céramique poreuse a été développé par la Fondation néerlandaise pour la recherche sur l'énergie dans le cadre d'un programme de recherches de sept ans financé par le gouvernement, et c'est la société ECO Ceramics qui en a acquis la licence internationale exclusive de fabrication et de commercialisation. Il s'agit d'un brûleur à pré-mélange (gaz naturel, propane ou butane). La céramique se présente sous forme de dalles de 150x150x13 mm parsemées de pores d'un diamètre moyen de 0,4 mm, c'est à dire, en termes normalisés, un matériau de 60 PPI (pores par pouce) d'une porosité de 0,8. Une fois allumée, la flamme se stabilise dans le matériau ou à sa surface suivant le réglage qui s'effectue en trois plages : une plage à faible charge thermique (mode "radiant") ; une à charge intermédiaire (mode "transitionnel") ; et une à forte charge thermique (mode "flamme bleue").

A faible charge thermique (entre 100 et 400 kW/m2), la vitesse du mélange air-gaz est inférieure à la vitesse adiabatique de combustion. La flamme se propage à l'intérieur de la céramique jusqu'à la surface où elle est refroidie. Une flamme plate se stabilise juste à la surface ou même à l'intérieur. Le brûleur voit sa température s'élever jusqu'à 850°C environ et il restitue l'énergie absorbée par rayonnement (mode "radiant"). Dans cette plage, les émissions de NOx sont très faibles, généralement inférieures à 10 ppm.

A charge thermique élevée (entre 800 et 2000 kW/m2), la vitesse du mélange air-gaz est partout supérieure à la vitesse adiabatique de combustion et il se forme une multitude de flammes bleues de type bec Bunsen qui se stabilisent au-delà de la surface du brûleur. Du fait de leur nombre relativement important, ces flammes sont courtes (1 cm en moyenne), ce qui se traduit par un temps de séjour bref et des émissions de NOx faibles, de l'ordre de 20 ppm.

Dans la plage intermédiaire (entre 400 et 800 kW/m2), la vitesse du mélange n'est pas uniformément inférieure ou supérieure à la vitesse adiabatique et les deux régimes coexistent dans des proportions plus ou moins grandes. La courbe ci-contre illustre la variation des émissions de CO et NOx en fonction de la charge thermique.

Ce type de brûleur présente plusieurs avantages : des émissions de NOx très faibles quel que soit le réglage, en particulier en mode radiant ; une plage de réglage très étendue (de 1 à 20) ; une haute résistance au retour de flamme, ce qui permet de fonctionner en mode radiant dans des environnements à température élevée (de l'ordre de 1000°C) ou de brûler un mélange hydrogène-méthane à haute teneur en hydrogène (jusqu'à 75%).

Le brûleur équipe déjà de nombreuses chaudières à condensation pour la production d'eau chaude et des friteuses ou fours de restauration collective. Dans l'industrie, il est utilisé pour le séchage du papier, des textiles, des peintures, pour le traitement thermique de pièces métalliques, pour la fusion du zinc (exemple d'un four de galvanisation avec des émissions de NOx de 12 ppm) ou encore pour le chauffage de locaux de grand volume (émissions de 10 ppm).

Brûleur à vortex
Toujours aux Pays-Bas, Winnox Combustion System propose pour les chaudières jusqu'à 150 kW des brûleurs gaz à pré-mélange (mais non radiants) qui limitent les émissions de NOx à moins de 10 ppmv dans une plage de 50 à 3000 kW/m2. Pour les puissances supérieures, il a développé un brûleur sans pré-mélange qui, grâce à un vortex qui assure un mélange turbulent et intime du gaz et de l'air juste avant la flamme, se comporte comme un brûleur à pré-mélange, c'est à dire qu'il produit très peu de NOx : entre 30 et 50 mg/m3 pour des facteurs d'air de 1,1 à 1,3 et moins de 20 mg/m3 pour un facteur d'air de 1,3. En outre, les émissions de CO et d'hydrocarbures imbrûlés demeurent inférieures à 1 ppmv tant que la température de la flamme reste supérieure à 950°C.

Ce brûleur coûtant le même prix qu'un brûleur classique, Winnox estime que la gamme de puissance comprise entre 100 et 5 MW présente peu d'opportunités commerciales. En revanche, le marché pourrait être intéressant au-delà de 5MW car il est question aux Pays-Bas de mettre en place un système d'échanges de droits d'émission de NOx et Winnox a cédé la licence à Stork Thermeq qui est en train de tester le brûleur de forte puissance dans les laboratoires de Gasunie.

Le brûleur à vortex a également été essayé sur une turbine à gaz avec de l'air à des températures allant jusqu'à 700°C. Les émissions de NOx et de CO se sont révélées inférieures à 1 ppmv pour une température de flamme comprise entre 950 et 1500°C.

La combustion catalytique
Dans les turbines à gaz, les différentes techniques pour éviter les pics de température, notamment au dessus de 1300°C, afin de limiter la formation des NOx, sont l'injection d'eau ou de vapeur, la combustion en mélange pauvre et l'oxydation catalytique. Cette dernière semble aujourd'hui la plus prometteuse et devrait pouvoir garantir des émissions à un seul chiffre, typiquement 3 ppm. L'Institut français du pétrole (IFP) travaille depuis dix ans à l'adaptation de cette technologie aux turbines à gaz, dans le cadre de projets européens comme AGATA (turbine à gaz avancée pour l'automobile) ou ULECAT (chambre de combustion catalytique à très faible émission pour des turbines à gaz double combustible).
Le développement en cours, mené en partenariat avec la société Microturbo et avec le concours financier de l'ADEME et du ministère de l'Industrie, concerne la mise au point d'une mini-centrale de cogénération équipée d'une turbine à gaz à combustion catalytique, dans la gamme de puissance 100 à 350 kWe. Cette centrale doit pouvoir brûler des combustibles très divers comme le fuel domestique, le gaz naturel, les GPL ou le biogaz. La technique de la combustion catalytique a été retenue car elle conduit à des émissions extrêmement faibles et permet de brûler des combustibles très pauvres sans dégradation des rendements ni risque d'instabilité de la flamme.

Les travaux européens antérieurs ont été l'occasion pour l'IFP de mettre au point des outils de simulation puissants qui permettent de simuler et dimensionner la zone de mélange et la section catalytique de la chambre de combustion, ainsi que de tester les multiples configurations envisageables pour cette dernière, le but étant de contrôler la température afin de ne pas dégrader le catalyseur (oxyde de platine ou de palladium). Les points cruciaux à étudier plus particulièrement sont les suivants :
* conception de la chambre de combustion pour qu'elle conserve ses performances à toute allure de la machine ;*définition des stratégies de contrôle-commande ;
* vieillissement du catalyseur, avec deux objectifs successifs : une durée de vie de 8000 heures, puis de 25 000 heures, voire plus ;
*développement de formulations catalytiques les plus flexibles possibles vis à vis de la nature du combustible.
Lorsque les éléments clés auront été développés, une opération de démonstration permettra de valider l'ensemble. Les évaluations économiques préalables ont indiqué que cette technique devrait être d'un coût comparable aux solutions bas-NOx plus conventionnelles. Son bilan environnemental beaucoup plus favorable devrait donc lui conférer un avantage compétitif certain.

La société américaine Catalyca Energy Systems Inc. est un peu plus avancée dans ce domaine puisque sa chambre de combustion catalytique Xonon équipe une turbine à gaz en fonctionnement depuis plus d'un an à la centrale de Silicon Valley Power. Les résultats enregistrés au bout de 8000 heures font état d'émissions de NOx inférieures à 2,5 ppm (corrigées à 15% O2), d'émissions de CO inférieures à 6 ppm, d'émissions d'imbrûlés inférieures à 10 ppm et d'une fiabilité supérieure à 98%. D'après le constructeur, ces résultats confirment que la combustion catalytique est la meilleure technique disponible actuellement pour réduire les émissions polluantes des turbines à gaz en termes d'efficacité, de coût et d'encombrement et qu'elle permet notamment d'implanter des centrales de production d'électricité en zones urbanisées.

Chambre peu émettrice pour turbine
Si l'IFP travaille sur la combustion catalytique, il en connaît aussi les limites actuelles : durée de vie du catalyseur limitée par les conditions ambiantes (température, régime de démarrage), plage de fonctionnement assez étroite rendant son pilotage complexe. Aussi cherche-t-il à développer aussi, en coopération avec Turboméca et avec le soutien de l'ADEME, une technologie de chambre de combustion à faibles émissions polluantes adaptée aux turbines de faible et moyenne puissance (jusqu'à 3 MW). Le programme concerne une turbine Makila TI de 1130 kW équipée au départ d'une chambre de combustion annulaire à étagement d'air et l'objectif est de parvenir à limiter les émissions de NOx à 25 ppmv et celles de CO à 40 ppmv à pleine charge.
L'IFP avait le choix entre deux solutions : la combustion pré-mélangée pauvre (richesse de 0,5 à 0,7) qui nécessite un étage pilote pour le démarrage et la stabilisation de la flamme aux divers régimes de fonctionnement et la technique RQL (Rich burn quick Quensch Lean burn) dans laquelle la combustion s'effectue d'abord dans un étage riche (1,5 à 1,7) puis dans un étage de quensch où l'on injecte une grande quantité d'air afin d'obtenir une combustion pauvre (0,5 à 0,7). L'étage riche permet de se passer d'étage pilote, puisqu'il peut assurer une combustion stable à toutes les allures, mais les études existantes montrent que le second étage est particulièrement difficile à mettre au point. L'IFP a donc opté pour la première solution.

Une fois cette décision prise, il fallait choisir l'architecture de la chambre et c'est un type tubulaire externe qui a été adopté pour l'accès aisé au moteur qu'il permettait et en raison du fait qu'il réclamait un nombre plus réduit d'injecteurs. Troisième étape de choix, celui de l'agencement des étages et l'étude a abouti à une conception comportant un étage pilote suivi d'un étage principal à pré-mélange pauvre, avec ou sans système de géométrie variable. Les essais pilotes ont montré que l'objectif de 25 ppmv de NOx pouvait être respecté à tous les régimes de fonctionnement. Les seuls problèmes rencontrés concernent une augmentation des émissions de CO et d'imbrûlés à régime partiel et des instabilités de la flamme pilote dans une certaine plage de richesse. Ils devront bien sûr être résolus, mais n'apparaissant qu'à des régimes marginaux, ils n'affectent pas l'utilisation de la machine en cogénération. Deux chambres sont en cours de test en vrai grandeur sur des moteurs réels.

Injecter simplement de l'air
Destiné plus particulièrement aux usines d'incinération d'ordures ménagères (UIOM) qui, d'après la nouvelle directive, devront respecter une VLE de 200 mg/Nm3 de NOx, le procédé Ecotube a été mis au point par la société suédoise Ecocomb. Le dispositif est relativement simple, puisqu'il se compose de tubes métalliques rétractables, refroidis à l'eau et équipés de buses d'injection, qu'on introduit au travers des parois de la chaudière. Couplées à un ventilateur à haute pression, ces buses permettent d'injecter soit de l'air (le moins cher), soit des fumées recyclées dans la chambre de combustion. L'air ainsi injecté ne représente qu'une faible partie (5 à 10%) de l'air total et il est entièrement consacré à la création de turbulences afin d'améliorer le mélange dans le four. Il en résulte une modification des profils en espèces imbrûlées et en oxygène dans la zone primaire de combustion et au début de la zone secondaire. Le temps de séjour doit normalement être augmenté, mais ce point n'a pas pu être prouvé expérimentalement.

Le système Ecotube est installé sur quatre UIOM et trois chaudières d'incinération de copeaux de bois en Suède et le sera prochainement sur une UIOM britannique, à Coventry. Sur les unités équipées, les résultats enregistrés sont les suivants :

  • * réduction des NOx de 50 à 70% et niveaux d'émission inférieurs à 100 mg/Nm3 ;
  • * diminution radicale des pics de CO et moyennes journalières sous les 50 mg/Nm3 ; les teneurs en NOx et CO sont exprimées à 11% d'O2 sur gaz sec ;
  • * amélioration du rendement thermique de l'ordre de 2%, par diminution de l'excès d'air, ce qui entraîne des économies de combustible et une réduction de la production de CO2 d'environ 700 t/an par chaudière ;
  • * augmentation de la production d'énergie de l'ordre de 5 à 10% ;
  • * meilleure régulation de la combustion.

L'un des grands avantages du procédé est sa souplesse. On peut par exemple faire tourner les Ecotubes sur eux-mêmes afin de modifier l'injection d'air en fonction de la charge du four. Il est également assez simple d'ajouter de l'ammoniac à l'air injecté et la réduction des émissions de NOx est alors immédiate et spectaculaire. Le premier système de ce type a été installé en 2000 à la papeterie d'Hallsta et les rejets sont en permanence inférieurs à 25 ppm, un résultat meilleur que prévu. Il existe en Suède une taxe d'environ 5 euros par kilo de NOx émis qui frappe les installations de plus de 3 MW. Ecocomb affirme que dans 99% des cas, il revient moins cher avec son procédé d'acheter l'ammoniac que de payer la taxe.

Le CREED, Centre de recherches pour l'environnement, l'énergie et les déchets du groupe Vivendi, a entrepris d'étudier la faisabilité du procédé Ecotube sur une UIOM exploitée par CGEA/Onyx, dans le cadre d'une convention signée avec l'ADEME. Le CREED s'est intéressé au procédé parce qu'il permet de réduire simultanément les NOx et le CO et qu'il est facilement adaptable aux unités existantes, sans grosses modifications. L'installation de deux Ecotubes au travers des murs de la chaudière est considérée comme suffisante pour couvrir le premier passage de la chaudière. Elle devrait entraîner un investissement de 2,8 MF et un coût d'exploitation de 10 F par tonne de déchets traité. Les effets attendus sont de maintenir les émissions de NOx entre 150 et 200 mg/Nm3 (contre 200 à 300 actuellement) et celles de CO en dessous de 50 mg/Nm3 (contre 50 à 150).

Article publié dans ENERGIE PLUS n°275 du 15 novembre 2001
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