Homogénéisation du flux dans une SCR (Réduction Catalytique Sélective)

Les process industriels utilisant des chaudières (cimenteries, aciéries, incinérateurs, fonderies…) sont susceptibles de libérer notamment des oxydes d’azote (NOx) dans l’atmosphère. Pour respecter les normes environnementales, les fumées de combustion sont traitées dans des réacteurs SCR Selective Catalytic Reduction. Le principe est de faire réagir les NOx présents dans les fumées avec de l’ammoniac qui est pulvérisée dans l’écoulement.

L’enjeu est d’obtenir un mélange homogène entre les fumes et l’ammoniac pulvérisée lorsque ce mélange atteint les catalyseurs en aval. Les catalyseurs et la section de passage du réacteur sont dimensionnés de manière à obtenir une vitesse de fumée optimale pour assurer une bonne réaction de tout le débit de fumée. En plus de l’homogénéité du mélange ammoniac-fumées, un autre objectif est donc d’assurer une vitesse débitante homogène sur la section traitante des catalyseurs.

La taille de ces installations est parfois très importante (plusieurs dizaines de mètres de haut), et chaque projet est unique dans ses formes et ses dimensions. On comprend donc aisément qu’il est difficile de « tester » différentes solutions pour atteindre ces objectif.

La simulation numérique en mécanique des fluides (CFD Computational Fluid Dynamics) permet de réaliser ces tests numériquement pour dimensionner convenablement les mélangeurs (la plupart du temps statiques) et les tôles déflectrices qui vont conduire aux meilleures performances. L’exemple montré ici compare une SCR équipée de quelques uns des éléments envisageables à une SCR vide de toute solution d’homogénéisation.

Conditions aux limites et modèles physiques

• Un débit est imposé en entrée
• Une condition de pression est imposée en sortie
• Un débit d’ammoniac au niveau des buses d’injection
• La turbulence est modélisée
• Les catalyseurs sont modélisés par des milieux imposant des pertes de charge équivalentes
• Seule une moitié de la géométrie est modélisée

Résultats de simulation

La SCR Selective catalytic reactor sans ces éléments présente une grosse boucle de recirculation causé par la brutalité du changement de direction à 180° du fluide. La solution proposée de disposer des tôles déflectrices dans l’installation permet de redresser les flux avec efficacité. On remarque en effet que les fumées atteignent le catalyseur de manière verticale, c’est à dire perpendiculairement à la section de passage des fumées. La nouvelle configuration présente donc de meilleures performances du point de vue du comportement aéraulique. il convient maintenant de vérifier la qualité du mélange Ammoniac/Fumées.

L’analyse des concentrations dans l’appareil montre que l’utilisation des tôles déflectrices dégrade la qualité du mélange Ammoniac/Fumées. En effet, la grosse boucle de recirculation présente dans l’installation sans déflecteurs avait pour effet bénéfique d’améliorer le mélange. Sa suppression explique la disparité des concentrations observées sur la surface de contrôle.
Le mélangeur statique permet d’avancer le commencement du mélange dans la gaine montante de l’appareil. Cependant, celui-ci n’est pas suffisamment bien dimensionné pour répondre aux critères fixés par les nécessités du process et de la réglementation.

Il est enfin intéressant de relever l’impact des solutions d’homogénéisation sur la variation des pertes de charge (généralement augmentées) afin de s’assurer que le ventilateur sera toujours capable de délivrer le débit nominal.

Cet exemple est une illustration de l’utilité de la simulation numérique en mécanique des fluides CFD Computational Fluid Dynamics qui permets de tester rapidement une solution en évaluant ses effets attendus… et les effets secondaires éventuellement dommageables.