Brevet FR2008184A1 — publié le 19700116

-1- 2008184 La présente invention se rapporte à un procédé et à un appareil servant à chauffer un liquide, comme par exemple de l'eau destinée à une chaudière d^roduction ; de la vapeur. On sait chauffer un liquide par échange de chaleur au moyen 5 d'un lit fluidifié, de particules inertes et de combustible finement divisé que l'on soumet à une combustion, .* le lit étant maintenu à l'état fluidifié par un débit de gaz le traversant en montant. Un but de l'invention consiste à mettre en oeuvre un pro-10 cédé et un appareil qui produisent leur effet avec une efficacité plus grande que ce qui a été possible jusqu'ici. Le procédé de l'invention est caractérisé en ce que le liquide que l'on doit chauffer est contenu dans un espace situé autour ' du lit et on le fait circuler à travers celle-ci 15 d'un emplacement situé dans cet espace à un emplacement différent de cet espace. De préférence, l'écoulement du liquide comprend un trajet rectiligne incliné sous un angle aigu par rapport à l'horizontale, par exemple de 5° à 20°. L'appareil servant à mettre en oeuvre le procédé de l'in-20 vention comprend une chambre de foyer comportant une partie inférieure destinée, quand elle est en service, à contenir un' lit' de matière en particules, une première entrée servant à introduire un gaz dans cette partie pour fluidifier 'le" lit , et une seconde entrée servant à introduire du combustible dans cette 25 partie, et cet appareil est caractérisé en ce que la chambre de foyer est entourée par une chemise destinée à contenir un liquide que l'on doit chauffer, et en ce que des tubes destinés au passage du liquide partent d'un . • certain emplace- , et ment situé dans la chemise / traversent la partie inférieure de la 30 chambre de foyer, pour parvenir à un autre emplacement situé dans la chemise. Les tubes situés à l'intérieur de la chambre de foyer et/ou débouchant de cette chambre comportent une partie rectiligne inclinée sous un angle aigu par rapport à l'horizontale, par exem-35 pie de 5° à 20°. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en 6915150 -2- 2008184 regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes dé réalisation de la présente invention. Sur ces dessins : 5 la figure 1 est une coupe verticale d'une première forme de réalisation, faite suivant la ligne I-I de la figure 3, mais avec des pièces normalement non visibles mais représen^ees^clarté; la figure 2 est une coupe verticale suivant la ligne II-II de la figure 3 ; 10 la figure 3 est une coupe horizontale suivant la ligne III-III de la figure 1, avec des pièces enlevées ; la figure 4 est une coupe verticale faite à travers la seconde formg&e l'appareil et suivant la ligne IV-IV de la figure 6 ; 15 la figure 5 est une coupe verticale d'une partie de l'appareil représenté sur la figure 4, en regardant dans le seiB de la flèche dessinée sur la figure 4 ; la figure 6 est une coupe horizontale suivant la ligne VI-VI de la figure 4 ; 20 la figure 7 est une vue schématique en regardant vertica lement vers le bas, à l'intérieur de la chambre de combustion, d'une troisième forme de l'appareil ; et la figure 8 est une coupe schématique suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7. 25 Les figures 1, 2 et 3 représentent une chaudière aqua- tubulaire comprenant une enveloppe extérieure 1 formant une chemise fermée à la partie inférieure par un disque plat 2, et à la partie supérieure par un tait. 3 en forme de dôme, et une chambre de foyer 4 supportée par une monture tronconique 5 sou- 30 dée à la partie inférieure d'une paroi 6 de la chambre 4, et au côté intérieur de l'enveloppe 1. La paroi 6 se compose d'une partie inférieure cylindrique 7 réunie à une partie cylindrique co-axiale 8 d'évacuation par une partie inférieure creuse 9 en forme de tronc de cône, et 35 un vtoit 10 en forme de dôme. L'extrémité inférieure de la chambre 4 est fermée par une plaque horizontale 11 de répartition de gaz,présentant des perforations qui peuvent comporter chacune 6915150 2008184 des dispositifs de ^retenue (non représentés) pour empêcher les particules solides de tomber en les traversant. La plaque 11 est supportée par un élément cylindrique creux 12 façonné par à son extrémité inférieure avec un rebord 13 s'étendant vers 5 l'extérieur et fixé à un rebord semblable 14 formé à l'extrémité inférieure de la paroi 6. Une boîte à vent' cylindrique creuse 15 coïncide exactement avec l'élément 12 situé au-dessous dç4a plaque 11. On peut faire arriver de l'air dans la boîte -à""vent -15 par un conduit d'admission 16. 10 Un tube d'admission 17 destiné à un combustible solide, par exemple des fines de charbon, mène dans la chambre 4, en passant à travers des trous formés dans l'enveloppe extérieure de la boîte à vent 15 et dans /pîaque 11, et se termine à son . extrémité supérieure en une pièce 18 en forme de T située immé-15 diatement au-dessus de la surface supérieure de la plaque 11, les bras du "T" s'étendant horizontalement et présentant des extrémités ouvertes. Un trou formé dans la partie tronconique 9 de la paroi de la chambre de foyer, et menant à un conduit dQ&écharge 19 in-20 cliné vers le bas, forme un déversoir qui maintient constant le niveau d'un lit--: fluidifié placé dans la partie inférieure de la chambre 4. Des tubes 20 traversent une partie inférieure de la paroi de la chambre de foyer 6 et dépassent à chaque extrémité d'une 25 courte distance au delà de la paroi. Les tubes 20 sont ouverts à chaque extrémité et sont parallèles les uns aux autres, et ils sont arrangés en qiatre rangées, disposées les unes au-dessus des autres. Les axes des tubes 20 placés dans chaque rangée reposent dans un plan incliné par rapport à l'horizontale, -sous un angle 30 d'approximativement 10°, bien qu'on puisse utiliser commodément tout angle situé entre 5° et 20°, et les tubes disposés dans chaque rangée sont espacés de façon . que les axes de tubes voisins placés dans cette rangée soient séparés par une distance égale à deux fois le diamètre extérieur de chaque tube. Les tubes 35 20 de rangées voisines sont décalés latéralement de telle sorte que les plans verticaux contenant les axes des tubes ne contiennent chacun que les axes des tubes placés dans des rangés al- 6915150 2008184 ternées et que les plans verticaux sont également espacés les un des autres. Le plan contenant les axes des tubes 20 placés dans chaque rangée est espacé dans le sens vertical par rapport au plan contenant les axes du tube placé dans la rangée voisine, 5 ou dans chaque rangée voisine, d'une distance à peu près égale au diamètre extérieur d'un tube. Les gaz d'échappement quittent la chambre de foyer 4 par r des tubes 21 d'évacuation de fumée, qui sont enroulés autour de la chambre de foyer et qui mènent des trous formés dans 10 la partie supérieure 8 de la paroi de celle-ci à des trous ménagés dans la monture 5. Les gaz quittent la monture 5 par une ouverture 26. L'appareil fonctionne comme suit. On fait arriver de l'eau dans la chemise formée entre l'enveloppe extérieure 1 et la paroi 15 6 de la chambre de foyer, jusqu'à ce qu'elle atteigne une profondeur suffisante pour immerger complètement le toit 10 de la chambre 4. On place dans la chambre 4 un lit • de particules inertes, comme par exemple de briques réfractaires broyées d'un diamètre maximum de Jmm , et on fait arriver de l'air comprimé 20 dans la boîte à .vent. 15 par le. conduit d'entrée 16 et en le faisant monter à travers la plaque de répartition 11 pour qu'il traverse .le lit . On règle le débit d'arrivée d'air de façon à fluidifier le lit de particules et on fait arriver pneumati-quement dans la chambre 4, par le tube 17, une quantité dosée 25 de fines de charbon présentant un diamètre maximum de particules de 6,35 mm. On utilise trois brûleurs à gaz (non représentés) pour enflammer le charbon. Le taux d'alimentation en charbon est tel que le charbon ne forme qu'une faible proportion du contenu en poids .du lit. 30 La masse de cendres formées (en général de l'ordre de 95 $ en poids) se présente sous la forme de petites particules qui sont emportées par les. gaz d'échappement, et le reste se présente sous la forme de particules plus grandes qui sont retenues jusqu'à ce qu1elles soient réduites par abrasion. 35 Le niveau de la couche au-dessus des tubes 20 est maintenu constant par le conduit incliné 19 par lequel la matière parti-culaire tombe, cette matière étant évacuée périodiquement du 6915150 -5- 2008184 conduit incliné. la chaleur développée par la chambre de foyer 4 est transmise à l'eau qui pénètre dans les tubes 20 à leur extrémité inférieure et qui s'écoule à travers eux sous l'action de la 5 convection. Au cours de son passage à travers les tubes 20, l'eau bout et la présence de bulles de vapeur dans celle-ci tend à accroître la vitesse d'écoulement de fluide à travers les tubes. les gaz d'échappement chauds qui quittent la chambre de foyer par les tubes inclinés en hélice 21 cèdent également 10 de la chaleur à l'eau. D'une manière typique, les gaz quittent la chambre de foyer à une "température d'environ 800°C, et longent les tubes 21 à fumée qui sont entourés d'eau, et quittent les tubes à une température d'environ 250°C. La température de l'eau est d'environ 160°0. 15 La vapeur produite quitte la chaudière par une soupape 22. L'eau qui se dégage d^La chaudière sous la forme de vapeur est remplacée par de l'eau alimentée par une vanne et par un tube 23 supporté par le toit 10 de la chambre de foyer 4,et comportant une extrémité fermée 24 et une paroi perforée 25. 20 La seconde forme de l'appareil représenté sur les figures 4, 5 et 6 est fondamentalement semblable à la première, mais l'agencement des tubes à fumée est différent, et la forme de la chambre de foyer et de l'enveloppe extérieure est également différente. 25 L'appareil consiste en une enveloppe extérieure 27 compor tant une paroi cylindrique 28, dont les parties supérieure et inférieure ne sont pas représentées. L'enveloppe 27 contient une chambre de foyer 29, dont la paroi 30 est supportée par une monture circulaire 31 assemblée à la partie-intérieure de 30 l'enveloppe 27 et à l'extrémité inférieure de la paroi 30 de la chambre de foyer 29. Les parois de l'enveloppe 27 situées au-dessus de la chambre de foyer 29 sont reliées par une plaque circulaire 32. La paroi 30 de la chambre de foyer 29 se compose de deux 35 parties cylindriques, la partie supérieure 33 étant d'un diamètre supérieur et étant fermée à son sommet par un disque plat 35, et à sa partie inférieure par un disque plat 36, qui 6915150 . -6- 2008184 comporte un trou déporté. La partie inférieure 34 est alignée sur- le trou 36 ménagé dans le disque 35. Comme dans la première forme de l'appareil, la chambre de foyer 29 comporte, près de son extrémité inférieure, une plaque de répartition classique 5 surmontant une boite à. vent et un tuyau d'entrée de charbon, ces traits caractéristiques n'étant pas représentés sur les figures de 4 à 6. r Les tubes 37 traversent la partie inférieure de la paroi 30 de la chambre de foyer et sont agencés d'une façon semblable 10 à celle des tubes 20 des figures de 1 à 3. Lee gaz d'échappement quittent la chambre 29 par trois groupear de tubes à fumée droits et verticaux 38, 40 et 41. Les tubes 38 établissent une communication entre la monture circulaire 31 et la région annulaire 39, c'est-à-dire la région du 15 disque plat 36 située en dehors du trou et qui communique avec la partie inférieure34 de la paroi de la chambre de foyer. Les axes des tubes 38 sont espacés à peu près régulièrement, et les tubes sont agencés en une configuration en forme de croissant centrée sur la partie la plus large de la région annulaire, le 20 centre de la configuration en forme 'de croissant étant laissé exempt de tubes. A leur extrémité inférieure, les tubes 38 communiquent au moyen de boîtes à fumée classiques avec un second groupe de tubes 40 qui, comme on le voit sur la figure 6, sont agencés en 25 deux séries courbes autour de la chambre de foyer 29» chaque série présentant deux rangs de tubes. Les tubes 40 forment une communication entre les trous ménagés dans la monture circulaire 31 et"les trous ménagés dans la plaque circulaire 32. A leur extrémité supérieure, les tubes 40 communiquent avec un troi- 30 sième groupe de tubes 41, par l'intermédiaire de boites à fumée classiques (non représentées), et les tubes 41 conduisent des trous formés dans la plaque circulaire 32, et situés à leurs extrémités supérieures, à des trous ménagés dans la monture circulaire 31, à leur extrémité inférieure. Les tubes 41 sont 35 agencés en deux séries courbes, chaque arc comportant deux rangs de tubes, les arcs composés de tubes 40 et41 étant agencés de façon que les espaces séparant les arcs soient 6915150 -7- 2008184 alignés avec les espaces semblables séparant les groupes de tubes 38. la manière de fonctionner de la seconde forme de l'appareil est essentiellement semblable à ceile de la première.. 5 Dans une autre variante, représentée schématiquement sur les figures 7 et 8, les tubes 20 peuvent être remplacés par des tubes 60 présentant chacun à peu près la forme d'un U, et comportant chacun une partie verticale centrale rejoignant des parties radiales inclinées. Deux de ces tubes peuvent occuper un 10 plan radial commun, comme représenté. De l'eau ou un autre fluide pénètre à l'extrémité inférieure de chaque tube, comme précédemment. Bien qu'on ait décrit l'invention à propos du chauffage d'eau ', îou de la production de vapeur, elle est applicable 15 dans tous les cas où il est nécessaire de chauffer un fluide ou de le transformer pour lui donner sa forme de vapeur. Bien qu'on ait décrit une circulation de fluide réalisée par convection à travers la chambre de foyer, 1' inventior>6ç>mprend également l'application d'une circulation réalisée au moyen d'une 20 pompe. Au lieu d'un combustible solide, on peut utiliser un combustible liquide ou gazeux ; dans ce cas, la couche fluidifiée peut se composer entièrement de particules inertes. Il va de soi que la présente invention nra été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et 25 qu'elle est susceptible de diverses variantes sans osrtir de son cadre. 6915150 -8- 2008184 - KE7BHIIICAIIOMS - 1) Un procédé de chauffage d'un liquide par échange de chaleur au moyen d'un;, lit fluidifié: de particules inertes et d'un combustible finement divisé que l'on soumet à une com- 5 bustion, le lit- étant maintenu à l'état fluidifié par un débit de gaz ascendant et le traversant caractérisé en ce que le liquide que l'on doit chauffer est contenu dans un espace situé autour du lit et on fait circuler ce liquide à travers la couche d'un - emplacement ' à • -•un..- - autre - de. cet -■ 10 espace. ... . 2) Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trajet du liquide à travers le' lit- comprend une partie rectiligne inclinée sous un angle aigu par rapport à l'horizontale. 15 3) Un procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle aigu se situe entre 5° et 20°. 4) Un procédé selon l'une quelconque des revendications de .1 à 3» caractérisé en ce que ." le lit . et la région située au-dessus de celui-ci et contenant les gaz de combustion sont 20 complètement entourés, de liquide. 5) Un procédé selon l'une quelconque des revendications de 1 à 4j caractérisé en ce que les gaz d'échappement dérivés de la combustion du combustible sont amenés à être soumis à un échange de chaleur avec le liquide entourant le lit.' . 25 6) Appareil servant à chauffer un liquide selon le pro cédé de la revendication 1, et comprenant une chambre de foyer (4) comportant une partie inférieure (7) destinée, quand elle est en service, à contenir une couche de matière particulaire» une première entrée (16) servant à l'admission d'un gaz dans 30 cette partie pour fluidifier ' le lit , et une admission (17, 18) servant à faire arriver un combustible dans cette partie (7), caractérisé en ce que la chambre de foyer (4) est entourée par une chemise (1) destinée à contenir un liquide à chauffer, et . des tubes (20) servent à faire passer 1-e liquide 35 d'un emplacement situé dans la chemise (l),à travers la partie inférieure (7) de la chambre de foyer (4) jusqu'à un autre emplacement situé dans la chemise. 6915150 -9- 2008184 7) Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins certains tronçons (20) de tubas situé s- à l'intérieur de la chambre de foyer (4) et/ou débouchant de la chambre (4) sont rectilignes et sont inclinés sous un angle aigu par 5 rapport à l'horizontale. 8) Appareil selon la revendication 7» caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison se situe entre 5° et 20°. 9) Appareil selon les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que /fronçons » de tubœ situés à l'intérieur de la 10 chambre de foyer présentent à peu près la forme d'un U. 10) Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 9» caractérisé en ce que la chambre de foyer (4) est contenue à l'intérieur d'une enveloppe extérieure (1) destinée à contenir le liquide à chauffer jusqu'à un niveau supérieur à 15 celui du sommet de la chambr,e de foyer (4). 11) Appareil selon lftine des revendications' 6 à 10 caractérisé en ce que la chambre de foyer (4) comporte une partie d'évacuation supérieure (8) pourvue de tubes d'échappement (21) pour recevoir les gaz de combustion, les tubes d'échappement 20 (21) sortant de la chambre de foyer (4) pour pénétrer dans la chambre (1). 12) Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que les tubes d'échappement (21) sont assemblés à un emplacement (5) voisin de la première entrée (16) pour permettre de réchauffer 25 le gaz de fluidification. 13) Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 12 s, caractérisé par un orifice de décharge (19) placé à l'intérieur de^La chambre de foyer (4) afin de maintenir constant le niveau établi dans la couche. 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