Aspects chimiques de la combustion du charbon pulvérisé. Première partie Chemical Aspects of the Combustion of Pulverized Coal. Part One

Abstract

II n'est pas facile de parvenir à une vue complète des multiples phénomènes chimiques dont la flamme de charbon pulvérisé est le siège. La présente étude bibliographique s'efforce de donner plus qu'une juxtaposition des données de la littérature récente, en risquant une tentative de présentation cohérente des mécanismes chimiques clés qui s'affrontent dans cette combustion. Ces mécanismes font intervenir des réactions en phase gazeuse relativement rapides (combustion des produits gazeux de pyrolyse, formation d'oxydes d'azote à partir de l'azote organique) ainsi qu'un certain nombre de réactions hétérogènes très importantes (dévolatilisation pyrolysante rapide, oxydation du coke, réduction hétérogène d'oxydes d'azote) qui peuvent se dérouler de façon beaucoup plus lente. En ce qui concerne ces dernières, le régime non isotherme, auquel les soumet l'existence de gradients de température dans la flamme industrielle, entraîne souvent des conséquences non négligeables pour le déroulement de ces mécanismes cinétiques complexes : ainsi la quantité et la composition des produits de pyrolyse est fortement tributaire de ces conditions non isothermes. Carrefour de plusieurs mécanismes chimiques complexes, la flamme de charbon est caractérisée chimiquement par un grand nombre de cas de compétition : a) compétition entre différentes voies réactionnelles à l'intérieur d'un mécanisme donné ; à titre d'exemple typique : la pyrolyse du charbon ; b) compétition entre phénomènes chimiques et physiques, également à l'intérieur d'un même mécanisme, entraînant la transition éventuellement réversible d'un régime cinétique vers un régime diffusionnel, comme c'est le cas dans l'oxydation du coke, avec des conséquences sensibles pour la vitesse réactionnelle globale et sa dépendance par rapport à la température, pouvant même aller jusqu'à l'extinction de la combustion du coke ; c) compétition entre deux mécanismes totalement différents, par exemple entre le mécanisme d'ignition homogène et le mécanisme d'ignition hétérogène du charbon, avec des conséquences pratiques pour la stabilisation de la flamme industrielle ; autre exemple : la compétition entre les divers mécanismes homogènes de formation d'oxydes d'azote et les mécanismes hétérogènes de leur réduction sur des particules solides de coke, de suie et de cendre. Avec ces idées présentes comme un leitmotiv implicite, on passe en revue les grandes étapes de la flamme industrielle de charbon pulvérisé : la dévolatilisation rapide avec la formation progressive de volatils gazeux, de goudrons et de coke ; la transformation partielle des produits gazeux et liquides de pyrolyse en suies ainsi que leur oxydation en phase gazeuse ; la combustion hétérogène du coke ; l'ignition du charbon et sa dépendance par rapport à des processus critiques homogènes et (ou) hétérogènes. Comme exemple typique d'un épiphénomènechimique, on suit la transformation des espèces azotées en NO et en N2, qui se greffe en contrepoint et à chaque pas sur tes différents thèmes successifs de cette symphonie de l'oxydation du charbon. En de nombreux points de cette évolution du charbon à travers la flamme, les connaissances de la chimie de com-bustion en phase gazeuse constituent un instrument utile d'interprétation (par exemple : pour l'oxydation des volatils, pour la discussion des modalités d'ignition). II n'en reste pas moins vrai que la plupart des problèmes chimiques hétérogènes sont bien spécifiques de la flamme de charbon ; leur traitement est rendu ardu à cause de la complexité, évolutive au cours de la combustion, du combustible solide lui-même. It is not easy to obtain a full picture of the multiple chemical phenomena which occur inside a pulverized coal flame. This bibliographie review attempts to give more than just a juxtaposition of data from the recent literature and risks making an attempt to coherently describe the key chemical mechanisms which confront one another in such combustion. These mechanisms involve relatively fast gas-phase reactions (combustion of pyrolysis gas products, formation of nitrogen oxides from organic nitrogen) as well as various extremely important heterogeneous reactions (fast pyrolyzing devolatilization, coke oxidation, heterogeneous reduction of nitrogen oxides) which may occur much more slowly. With regard to these reactions, the non-isothermal regime caused by the existence of temperature gradients in an industrial flame often have non negligible consequences for the way in which such complex kinetic mechanisms proceed. For example, the amount and composition of the pyrolysis products depends to a considerable degree on these non-isothermal conditions. A coal flame is the crossroads for several complex chemical mechanisms. It is chemically characterized by a great many cases of competition : (a) competition among different reaction paths inside a given mechanism, with a typical example being the pyrolysis of coal; (b) competition among chemical and physical phenomena, also occurring inside the saine mechanism, causing an eventually reversible transition from a kinetic regime to a diffusional regime, as is the case in the oxidation of coke, with appreciable consequences on the overall reaction velocity and its dependence on temperature, even being able to go to the extinction of coke combustion; (c) competition between two totally different mechanisms, e. g. between a homogeneous ignition mechanism and a heterogeneous ignition mechanism of coal, with practical consequences on the stabilization of an industrial flame. Another example is that of competition among different homogeneous mechanisms of nitrogen oxide formation and heterogeneous mechanisms of their reduction on solid coke particles, soot and ash. With these ideas presented as an implicit leitmotif , the major phases of an industrial pulverized coal flame are reviewed, i. e. the fast devolatilization with graduat forming of gaseous volatiles, tars and cokes; the partial transformation of gaseous and liquid pyrolysis products into soot as well as their gas-phase oxidation; heterogeneous com-ustion of coke; ignition of coal and its dependency on homogeneous and/or heterogeneous critical processes. As a typical example of a chemical epiphenomenon , the transformation of nitrogen-containing species into NO and N2 is followed, with this transformation being grafted in counterpoint and at each step on the different successive themes of this coal oxidation symphony. At many points in this evolution of coal through a flame, an understanding of gas-phase combustion chemistry is a useful instrument for interpretation (e. g. for the oxidation of volatiles and for discussing ignition procedures). It is nonetheless true that most heterogeneous chemical problems are quite specific to a coal flame. It is difficult to analyze them because of the complexity of the phenomena which evolve during combustion as well as the solid fuel itself.