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.