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NOx formation and reduction by a coal, a lignite, an anthracite and a petroleum coke in conditions of cement plant calciner

Cances, Julien (2006) NOx formation and reduction by a coal, a lignite, an anthracite and a petroleum coke in conditions of cement plant calciner. (Formation et réduction de Nox par un charbon, un lignite, un anthracite et un coke de pétrole dans les conditions d'un précalcinateur de cimenterie.)

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Abstract

L'industrie cimentière est extrêmement consommatrice d'énergie. Cette énergie est principalement fournie par la combustion de solides carbonés pulvérisés. Jusqu'à 60 % de cet apport en combustible peut être injecté dans le précalcinateur. La combustion de solides carbonés produit des polluants, au premier rang desquels on trouve les NOx. Plusieurs techniques de réduction de NOx existent à l'heure actuelle. L'une des plus prometteuses en terme d'efficacité, conjuguée à son coˆut, est le “reburning” qui consiste en une injection secondaire de combustible, créant ainsi une zone riche et favorable à la réduction des NOx. L'injection de combustibles solides dans les précalcinateurs de cimenteries s'apparente à cette technique. Ces solides interagissent avec les NOx par différents mécanismes : par l'intermédiaire de réactions dans la phase gaz avec les matières volatiles dégagées lors de la pyrolyse ; par l'intermédiaire de réactions hétérogènes entre le résidu solide et son environnement gazeux : l'oxydation du char qui produit des espèces azotées et la réduction du NO sur le char. Une démarche couplée d'expérimentations et de modélisation a été développée pour déterminer l'influence relative de ces différents phénomènes. Les combustibles utilisés sont de quatre types distincts et sont communément utilisés dans les cimenteries : lignite, charbon, anthracite et petcoke. Ainsi, les réactions hétérogènes élémentaires – dévolatilisation, oxydation du char et réduction du NO sur le char – ont-elles été caractérisées individuellement par des expériences et des modélisations spécifiques. On observe une forte disparité entre les quatre combustibles, autant sur les paramètres cinétiques des réactions hétérogènes que sur la quantités de matières volatiles dégagées. Enfin, les expériences et modélisations représentatives de l'ensemble des réactions qui se déroulent simultanément lors du reburning dans les conditions précalcinateur de cimenteries ont été conduites. Il apparaît que l'effet de la réduction du NO dans la phase gaz est du même ordre de grandeur que l'effet de la réduction sur le char après un temps de séjour des particules de 2 s. La réduction du NO sur le char croît continuellement avec la température alors que la réduction dans la phase gaz présente des singularités en fonction de la température pour les combustibles : la réduction du NO est plus faible à 900C dans le cas du lignite et du charbon qu'à 800 et 1000C. L'étude détaillée de ces singularités a été menée et a permis de déterminer les chemins réactionnels intervenant dans la formation et réduction de NOx dans la phase gazeuse. ABSTRACT : The cement industry is a high energy consumer. This energy is mostly provided by the combustion of pulverized carbonaceous solid fuels. Up to 60 % of this fuel income may be injected into the calciner. However, the combustion of solid fuels produces pollutants, particularly NOx. Several reduction technology were developed. The most promising one, in term of cost and efficiency, is the reburning. It consists in a secondary fuel injection, creating a fuel rich zone favorable to NOx reduction. The fuel injection in cement plant calciners may be compared to this technique. The solids interact with NOx at different levels : through gas phase reactions with volatile matters released during the pyrolysis, and through solid-gas heterogeneous reactions : i.e. char oxidation that produces N-species and NO reduction at the char surface. A coupled experimental and modeling protocol was developed to determine the relative contribution of these different phenomena. The used fuels are of four distinct types, commonly used in cement plants: a lignite, a coal, an anthracite and a petcoke. Thus, the elementary heterogeneous reactions – devolatilisation, char oxidation and NO reduction by char – were characterized by specific experiments and modelings. One observes a large disparity between the four fuels in terms of kinetic parameters and quantity of volatile matters released. Finally, the experiments and modelings representative of the reactions occurring simultaneously during reburning in calciner conditions were performed. It appears that the effect of NO reduction in the gas phase is of the same order of magnitude that the effect of reduction by char after a particle residence time of 2 s. The NO reduction by char increases continuously with the temperature, whereas the gas phase reduction presents singularities in function of the temperature for the high volatile fuels: The NO reduction is lower at 900C than at 800 and 1000C, in case of lignite and coal. A detailed chemical analysis of these singularities was carried out and enabled to determine the main reaction paths occurring during NOx formation and reduction in the gas phase.

Department:Centre de Recherche d'Albi en génie des Procédés des Solides Divisés, de l'Energie et de l'Environnement - RAPSODEE (Albi, France)
Directeur de thèse:Salvador, Sylvain
Uncontrolled Keywords:Combustion - Oxydes d'azote – Précalcinateur – Reburning – Expériences - Modélisations. KEYWORDS : Combustion - Nitric oxide – Calciner – Reburning – Experiments - Modelings
Subjects:Electrical engineering > Energetics and transfer (systems and processes)
Deposited On:19 April 2007

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