Améliorer les performances environnementales des centrales à charbon pulvérisé via la co-combustion de combustible dérivé de déchets

Le charbon fourni aux alentours de 28% des besoins mondiaux en énergie primaire et génère quelque 40% de l'électricité mondiale. Aux États-Unis, près de 650 centrales thermiques, dont la majorité est munie de bouilloires à charbon pulvérisé datant des années 80, produisent de l'électricité à partir du charbon. Dû au contenu intrinsèque en azote et en soufre du charbon, sa combustion est associée à des hauts taux d'émissions de NOx et de SO2, polluants atmosphériques causant entre autre chose des pluies acides. En vue de réduire les émissions de SO2 des centrales au charbon, cette thèse porte sur l'étude du comportement d'un combustible novateur nommé ReEF™ ou ReEngineered Feedstock™, développé par la compagnie Accordant Energy LLC®, qui combine déchets non recyclables et sorbants alcalins. Les déchets ayant un haut pouvoir calorifique et ne contenant pas de soufre, et les sorbants alcalins (tel que le calcaire) étant capables de réagir avec le SO2 et de le capter sous forme solide, la co-combustion de ce combustible permettrait de réduire les émissions de SO2 au sein même de la chambre de combustion. Cette technologie, facile à mettre en place et ne nécessitant qu'un faible investissement initial ainsi que peu d'espace supplémentaire, permettrait d'éviter la construction coûteuse d'unités de traitement des fumées en aval des fournaises. Toutefois, la combustion imprudente de ce combustible pourrait avoir des conséquences désastreuses pour les propriétaires de centrale thermique. Cette thèse livre ainsi une des premières études expérimentales traitant de la co-combustion de charbon et de ReEF™ dans des conditions typiques des bouilloires à charbon pulvérisé. Dans un premier temps, afin de nous familiariser avec le combustible à l'étude, la dégradation thermique d'un ReEF™ sans sorbant et de ses constituants est analysée par thermogravimétrie. L'analyse de plus de 70 échantillons à des vitesses de chauffe allant de 5°C/min à 400°C/min nous permet de conclure que la dégradation thermique du ReEF™ peut être vue comme la dégradation indépendante de chacun de ses composants pour peu que les limitations de transfert de chaleur soient prises en compte. Il n'y a donc pas d'interactions chimiques notables entre les composants du ReEF™ durant sa dévolatilisation. Dans un second temps, les prestations de l'injection simultanée de charbon et de sorbants alcalins seuls ainsi que celles de la co-combustion de charbon et de ReEF™ sans sorbant sont comparées. Ceci est réalisé au sein d'un réacteur spécialement construit pour l'occasion, capable de reproduire le mode de contact entre gaz et particules, les concentrations, les températures et les pressions typiques des bouilloires à charbon pulvérisé. En présence de CaCO3 et de Ca(OH)2, des réductions des émissions de SO2 de l'ordre de 20% sont observées, réductions qui généralement augmentent avec l'augmentation du stoic (rapport molaire entre composés alcalins et soufre). En ce qui concerne la co-combustion de 20%th de ReEF™ et de charbon, une réduction des émissions de SO2 de l'ordre de 20% est également mesurée. La composition du ReEF™ (ratio fibres : plastiques) ne semble pas avoir un impact sur les émissions de SO2. Les émissions de HCl, quant à elles, qui sont négligeables en présence de charbon avec et sans sorbant, sont de l'ordre de 20ppm en présence de ReEF™ et augmentent proportionnellement avec son contenu en plastique. Dans un troisième temps, la co-combustion de charbon et de ReEF™ contenant du calcaire, un mélange de calcaire (CaCO3) et de bicarbonate de sodium (NaHCO3), ainsi qu'un mélange de calcaire et de trona (Na2CO3•NaHCO3•H2O) est étudiée. La quantité de sorbant dans le ReEF™ et les paramètres d'alimentations sont ajustés de façon à obtenir une alimentation du ReEF™ de 20%th comparé au charbon, à atteindre des ratios molaires totaux de composés alcalins versus contenu en soufre et en chlore de l'alimentation (stoics) de 1, 2 et 2.5 et à avoir des ratios molaires Na/Ca de 0, 0.1 en présence de trona et de NaHCO3 et de 0.5 en présence de NaHCO3 seul. De façon générale, comme dans le cas du sorbant seul, l'augmentation du stoic total de l'alimentation est associée à une capture accrue du SO2. Pour un même stoic, l'utilisation de la combinaison déchets et calcaire au sein du ReEF™, comparativement à l'utilisation de calcaire seul, permet d'atteindre des plus hauts niveaux de réductions des émissions de SO2. La combinaison de sorbant à base de sodium et de sorbant à base de calcium permet même d'atteindre des niveaux records de réduction des émissions de SO2 de plus de 50%, dans le cas de l'utilisation de trona, et de l'ordre de 40% en présence de NaHCO3, et ce pour un temps de résidence au sein du réacteur quatre fois que plus court que le temps de résidence typique des PCB. De plus, le contenu réduit en azote "combustible" du ReEF™, comparativement au charbon, mène également à de plus faibles émissions de NOx. La combustion de ReEF™ contenant du trona est même associée à des réductions des émissions de NOx de plus de 50%, possiblement dues à des réactions de réduction de NO par le sodium. Finalement, en ce qui concerne les émissions de HCl, la capture du chlore par les sorbants permet d'atteindre des niveaux comparables à ceux obtenus dans le cas de la combustion de charbon seul. Même si en termes d'émissions les résultats sont fort prometteurs, l'utilisation de ReEF™ contenant du sorbant est cependant associée à la formation de dépôts de cendres fondues dans le réacteur. Des sondes de déposition sont utilisées afin de comparer l'ampleur de la déposition en fonction de la composition en sorbant du ReEF™. Elles permettent d'identifier que la déposition, très sévère en présence de NaHCO3, et d'autant plus sévère que le ratio Na/Ca est élevé, l'est moins en présence de ReEF™ avec calcaire seul, et ne l'est plus du tout en présence de trona. Ces résultats semblent indiquer la co-combustion de charbon et de 20%th de ReEF™ contenant du calcaire et du trona à un ratio Na/Ca=0.1 et à un stoic total de 2 comme la composition la plus adéquate pour une utilisation au sein des PCB existantes. Toutes ces expériences impliquent une mesure unique des concentrations au sommet du réacteur, les concentrations étant associées à une alimentation en gaz et solide et à un profil de température le long du réacteur. Afin d'avoir un aperçu du comportement des gaz et particules au sein du réacteur, un modèle phénoménologique combinant plus de 30 cinétiques de réaction est développé. Ce modèle permet, sans aucun paramètre d'ajustement, de prédire les émissions de CO2, SO2 et NOx mesurées en sortie du réacteur. Ce modèle est facilement adapté aux différentes compositions du ReEF™, et est capable de tenir compte des différentes tailles des particules. IL est alors utilisé pour évaluer les réductions potentielles associées à l'utilisation de ReEF™ à des temps de résidence et des températures mesurées au sein d'une bouilloire à charbon pulvérisé existante. Ces simulations indiquent que des réductions des émissions de SO2 jusqu'à 85% pourraient être atteintes en sortie de la bouilloire lors de la co-combustion de charbon et de ReEF™ avec calcaire et trona. La co-combustion de ReEF™ au sein des bouilloires à charbon pulvérisé est donc pertinente en termes de performances environnementales des centrales à charbon, pour peu que la composition du ReEF™ soit judicieusement choisie et soit préalablement testée dans des conditions semblables à celles des PCB. De plus, étant donné qu'elle permet la production d'électricité à haut rendement à partir de déchets, elle est également pertinente en termes de valorisation énergétique des déchets.

Abstract

Coal supplies around 28% of the world's energy needs and produces some 40% of the world's electricity. In the United States, close to 650 coal power plants currently produce electricity from coal, the majority of witch are equipped with pulverized coal boilers build in the 80's. Due to coal's intrinsic content in nitrogen and sulfur, its combustion is associated with high levels of NOx and SO2 emissions, that are responsible, among other thing, for acid rains. In order to help reduce SO2 emissions of coal power plant, this thesis focuses on the behaviour of a novel feedstock called ReEF™ or ReEngineered Feedstock™, developed by the company Accordant Energy LLC®, that combines non recyclable waste and alkaline sorbent. Since waste have a high calorific value and do not contain sulfur, and since alkaline sorbents (such as limestone) are able to react with SO2 and capture it in solid state, co-combustion of ReEF™ and coal could reduce SO2 emissions inside the furnace chamber itself. This technology easy to implement, as it requires a limited initial investment and limited additional space, could help avoid the construction of costly flue gas treatment unit downstream from the furnace. However, careless combustion of this engineered fuel could have disastrous consequences for the coal power plant owners. This thesis, then, deliver one among the first experimental study of co-combustion of coal and ReEF™ in conditions characteristic of pulverized coal boilers. As a first step, in order to get familiarize with the feedstock under study, the thermal degradation of a ReEF™ without sorbent and of its components is analyzed by thermogravimetry. With the analysis of more than 70 samples at heating rates ranging from 5°C/min to 400°C/min we are able to conclude that ReEF™ thermal degradation can be seen as the independent thermal degradation of its components, as long as heat transfer limitations are taken into account. Thus, no substantial chemical interactions between ReEF™ components take place during its devolatilization. During the second step of this study, performances of the co-firing of coal and sorbent are compared to that of co-combustion of coal and ReEF™ without sorbent. This is carried out in a reactor specially build for this study, capable of reproducing the contact mode between gas and particles, the concentrations, the temperature gradient and the pressure typical of pulverized coal boiler. SO2 emissions reduction around 20% are observed in presence of CaCO3 and of Ca(OH)2 compared to the coal baseline, reduction that generally increased with the increase of sorbent molar ratio compared to sulfur (also called stoic). As for the co-combustion of 20%th of ReEF™ and coal, a SO2 emission reduction around 20% is also measured, with no clear effect of ReEF™ composition (fiber to plastic ratio). On the other hand, the HCl level that is negligible during coal combustion with and without sorbent, reaches around 20ppm in presence of ReEF™, and increases proportionally with the ReEF™ plastic content. The first step of this work consists in the study of the co-combustion of coal and ReEF™ containing limestone (CaCO3), a mix of sodium bicarbonate (NaHCO3) and limestone, as well as a mix of trona (Na2CO3.NaHCO3.H2O) and limestone. The amount of sorbent in the ReEF™ as well as the feeding parameters are adjusted to reach a 20%th feeding of ReEF™ compared to coal, to inject sorbents at a stoic of 1, 2 and 2.5 and to obtain Na/Ca molar ratios of 0, 0.1 with trona and NaHCO3, and 0.5 with NaHCO3 only. Globally, as in the case of sorbent alone, the increase of the total stoic of the feed leads to increased SO2 capture. For a given stoic, to combine waste and limestone in the ReEF™, compared to using limestone alone, allows to reach higher levels of SO2 emissions reduction. The combination of sodium-based and calcium-based sorbent even leads to record SO2 emissions reduction of more than 50% with trona, and more than 40% with NaHCO3, at gas residence time in the reactor four time smaller than typical residence time of PCB. Furthermore, the lower fuel-N content of the ReEF™, compared to coal, also leads to lower NOx emissions. Combustion of ReEF™ with trona is even associated with NOx emissions reduction of more than 50%, possibly due to sodium induced NO reduction. Finally, regarding HCl emissions, chlorine capture by the sorbents leads to HCl levels comparable to that of coal alone. Even if, from the point of view of pollutant emissions, the results are promising, co-feeding ReEF™ with sorbent was nonetheless associated with heavy formation of melted ash deposits in the reactor. Deposition probes are used to compare the magnitude of the deposition in function of the ReEF™ sorbent composition. With those probes, we are able to figure out that slag formation is quite severe in presence of NaHCO3, and all the more that the Na/Ca ratio is high, but is less severe in presence of limestone alone, and isn't at all problematic in presence of trona. Those results all seem to indicate that co-combustion of coal and 20%th ReEF™ containing limestone and trona at a Na/Ca ratio of 0.1 and at a total stoic of 2 is the most adequate composition for application in existing PCB. In all those experiments a single measure of the emissions at the exit of the reactor is conducted, the emissions being associated with a federate of gas and solid and a temperature profile along the reactor. In order to gain insight regarding the behaviour of the gas and the particles inside the reactor, a phenomenological model combining more than 30 reaction kinetics is developed. This model allows us, without any fitting parameter, to predict the CO2, SO2 and NOx emissions measured at the outlet of the reactor. This model is easily adapted to the different ReEF™ compositions and was able to take into account the various particle sizes. The model is then used to evaluate potential SO2 emissions reduction that could be obtain with ReEF™ co-combustion for a residence time and a temperature profile measured in an existing pulverized coal boiler. Those simulations indicate that SO2 emissions reduction up to 85% could be obtain at the exit of the furnace chamber with a 20%th coal feed substitution by ReEF™ containing limestone and trona. Co-combustion of ReEF™ in pulverized coal boiler is therefore sensible from the point of view of pulverized coal boiler environmental performances, as long as the ReEF™ composition is chosen wisely and is tested beforehand in conditions similar to that of PCB. Furthermore, since ReEF™ co-combustion allows electricity production at high efficiency from waste, it is also sensible in terms of waste energetic valorization.