NITRIC OXYDES ADVANCED GAS REBURNING TECHNOLOGIES: EXPERIMENTAL AND KINETIC STUDIES ON SEMI-INDUSTRIAL REACTOR
TECHNOLOGIES DE RECOMBUSTION AVANCEE DES OXYDES D'AZOTE : ETUDES EXPERIMENTALE ET CINETIQUE SUR PILOTE SEMI-INDUSTRIEL
Résumé
Nitric oxides (NOx) play an important role in main of actual environmental problems such as tropospheric ozone formation and acid rain. Among the NOx reduction industrial processes, the Reburning and Selective Non Catalytic Reduction (SNCR) processes, that use respectively hydrocarbons and nitrogen - containing compounds (ammonia, urea or cyanuric acid) as reducing agent, have been showed to be very effective with simple installation and low investments costs. The objectives of this study is to evaluate the influence of main working parameters on the NO reduction efficiency of Reburning and SNCR processes by using respectively methane (CH4) and ammonia (NH3) as reducing agent. The parametric studies of NO reduction were performed in a lab-scale plug flow reactor. The gaseous effluents were analyzed by Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). The effect of the main operating parameters such as the flue gas temperature, the residence time, the NO initial concentration and the reducing agent amount were systematically evaluated for the Reburning and SNCR NO reduction modes. As a result, the methane gas Reburning shows to be a very effective NO reduction technique in our experimental conditions with a very high NO reduction efficiency up to 90%. The reduction performance of the Reburning approach increases as a function of the main working parameters such as: the flue gas temperature, equivalence ratio of reburn zone, average residence time and initial NO concentration. According to the experimental conditions, a competition between two chemical processes can occur: NO reduction Reburning and NO formation via prompt-NO mechanism. The experimental results are compared with the modeling ones obtained with the SENKIN-CHEMKIN II calculation code by using four detailed kinetic mechanisms: GDF-Kin®3.0_NCN (El Bakali et col., 2006), Glarborg (Glarborg et col., 1998), GRI3.0 (Smith et col., 1999) et Konnov (Konnov et col., 2005). By using ammonia NH3 as reducing agent, a maximal NO reduction efficiency up to 80% is obtained in the optimal conditions of SNCR process. The study of the effects of the main working parameters has shown that a kinetic competition between the NO formation by NH3 oxidation and the NO reduction via SNCR process may occur. Several chemical compounds such as CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CH3OH, C2H5OH, CO and H2 have been evaluated as additives to SNCR process. As a result, these additives lead to a downwards shift of about 100 K of the optimum temperature window for the reduction process. Moreover, the addition of these compounds improves very sensitively the NO reduction performance for the lower temperatures conditions. The detailed kinetic of Coda Zabetta and Hupa (2008) has been evaluated and optimized to reproduce the experimental results in our working conditions. A good agreement between the experimental results and the modeling ones is obtained. A kinetic analysis explains the effects of additives on the NO reduction process by using ammonia.
Les oxydes d'azote (NOx) sont responsables de la plupart des problèmes liés à l'environnement tels que le processus de formation de l'ozone troposphérique et le phénomène des pluies acides. Parmi les procédés de dénitrification mis en place par les industriels, les technologies de Recombustion et de Réduction Sélective Non Catalytique (RSNC), qui utilisent respectivement des hydrocarbures et des composés azotés (l'ammoniac, l'urée, ou l'acide cyanurique) comme agents réducteurs, présentent des avantages très attractifs. Ces techniques sont performantes, relativement simples à mettre en œuvre, et ne nécessitent qu'un faible coût d'investissement. L'objectif de ce travail consiste à étudier les influences des principaux paramètres de fonctionnement d'une installation sur la performance de réduction de NO des procédés de Recombustion et de RSNC en utilisant respectivement le méthane (CH4) et l'ammoniac (NH3) comme agent réducteur. Les études paramétriques de réduction de NO ont été réalisées sur un réacteur de type piston à l'échelle du laboratoire. Les effluents gazeux sont analysés par spectroscopie d'absorption Infrarouge à Transformée de Fourrier (IRTF). Les principaux paramètres de fonctionnement tels que la température des fumées, le temps de passage, la concentration initiale en NO dans les fumées et la quantité d'agent réducteur injecté ont été analysés. Le procédé de Recombustion par le méthane est une approche très efficace. Dans nos conditions expérimentales un taux de réduction maximal de NO proche de 90% a été obtenu. La performance du procédé est étroitement liée à la valeur des principaux paramètres de fonctionnement utilisés comme : la température de fumées, le facteur de richesse de la zone de Recombustion, le temps de passage moyen et la concentration initiale en NO. Selon les conditions expérimentales, une compétition entre deux processus chimiques peut se produire : la réduction de NO par Recombustion et la formation de NO via le mécanisme du NO-précoce. Les résultats expérimentaux obtenus ont été comparés à ceux issus de la modélisation par le code de calcul SENKIN-CHEMKIN II en utilisant quatre mécanismes de référence : GDF-Kin®3.0_NCN (El Bakali et col., 2006), Glarborg (Glarborg et col., 1998), GRI3.0 (Smith et col., 1999) et Konnov (Konnov et col., 2005). En utilisant l'ammoniac NH3 comme agent réducteur, un taux de réduction proche de 80% a été obtenu dans nos conditions optimales pour le procédé RSNC. L'étude de l'influence des paramètres de fonctionnement a montré que sous certaines conditions opératoires, une compétition entre le processus de formation de NO par l'oxydation de NH3 et la réduction de NO par RSNC pouvait se produire. Plusieurs composés chimiques tels que CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CH3OH, C2H5OH, CO et H2 ont été évalués comme additifs au procédé RSNC. L'utilisation de ces additifs conduit à un décalage de l'ordre de 100 K de la fenêtre optimale de température pour le procédé de réduction. D'autre part, l'addition de ces composés permet également d'améliorer très sensiblement le taux de réduction de NO pour les températures de fumées les plus basses. Le mécanisme cinétique détaillé de Coda Zabetta et Hupa (2008) a été modifié et optimisé par rapport à nos conditions expérimentales. Il permet de prédire correctement l'effet des additifs étudiés sur la performance du procédé RSNC. Une analyse cinétique permet également d'expliquer l'effet de ces additifs sur la réduction de NO par l'ammoniac.
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