Brevet FR2405745A1 — publié le 19790511

La présente invention se rapporte à un réacteur à couches turbulentes ou à lits fluidisés, du type à chauffage, avec des fonds intermédiaires poreux horizontaux, pour une matière en grains, en particulier en vue de la gazéification de charbon à l'aide de vapeur d'eau, avec chauffage par de la chaleur produite par voie nucléaire. Les réacteurs à lits fluidisés pour la gazéification de charbon à l'aide de vapeur d'eau, et les appareils semblables dans lesquels une matière solide fluidisée doit être chauffée, ont été construits jusqu'à présent sous la forme de récipients horbzontaux, c'est-à-dire couchés, de forme généralement cylindrique, dans la partie inférieure desquels est disposé un fond intermédiaire poreux en vue de la fluidisation de la matière solide, et dont la partie supérieure renferme une multitude de serpentins de chauffage ou de refroidissement, c'est-à-dire de tubes de forme tourmentée.Ces réacteurs connus, par suite de leur installation horizontale, occupent sur le sol une surface relativement importante et présentant également, par rapport à leur capacité, un volume relativement important du fait qu'un seul lit fluidisé peut être prévu à l'intérieur de ces récipients et que l'espace situé au-dessus et en dessous de ce lit fluidisé est utilisé pour les distributeurs des tubes de chauffage et des conduites de la vapeur participant à la réaction Par ailleurs, en raison de leur forme en méandres ou en hélice, les tubes de chauffage ne peuvent, après montage, pratiquement plus hêtre contrôlés parfaitement, ce qui serait cependant d'une importance considérable pour des installations chauffées par voie nucléaire. La présente invention a pour objet un réacteur à lits fluidisés, compact, susceptible entre chauffé, occupant une faible surface au sol et présentant également un faible volume, réacteur dont les tubes de chauffage peuvent eAtre parfaitement contrôlés après montage. Le réacteur suivant l'invention comprend un fond intermédiaire horizontal, poreux sur le côté supérieur, pour la matière en grains;P;une alimentation en vapeur participant à la réaction, en dessous du lit fluidisé, et une sortie pour le gaz résultant de la réaction au-dessus du lit fluidisé.Ce réacteur présente, selon l'inventions les caractéristlques sulvaes t a) le recipient cylindrique est installé en position debout', c'est-à-dire en position verticale b) plusieurs fonds intermédiaires horizontaux sont disposés les uns au-dessus des autres dans le récipient ; c) l'arrivée et la sortie de la matière en grains par rapport aux fonds intermédiaires sont disposées en alternance en position centrale ou au bord des fonds intermédiaires ; d) le fluide de chauffage traverse le récipient de bas en haut e) le fluide de chauffage passe dans des tubes verticaux, rec tilignes et lisses. Le récipient cylindrique vertical assure, en combinaison avec l'agencement de plusieurs fonds intermédiaires horizontaux superposés, que le réacteur occupe une surface minimale au 501, et un volume minimal. L'arrivée et-la sortie de la matière en-grains en alternance en position centrale et sur le bord des fonds intermédiaires assurent une répartition sensiblement régulière de la temp- rature sur la section du récipient, ce qui améliore le rendement de l'appareil et réduit les contraintes thermiques à 1' in- térieur de ce dernier. Le chauffage à contre-courant que permet l'agencement conforme à l'invention (la matière en grains se déplace de haut en bas et le fluide de chauffage s'écoule de bas en haut) augmente également le rendement de l'appareil car la température la plus élevée est disponible à la sortie de la matière en grains. Les tubes de chauffage verticaux, rectilignes et lisses peuvent être inspectés et contrôlés depuis le haut, à l'aide d'une sonde appropriée. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les fonds intermédiaires présentent, en alternance à l'extérieur et à l'intérieur, un trop-plein pour la matière en grains. L'avantage d'un tel agencement consiste dans le fait que les particules à poids spécifique élevé ou de grand diamètre traversent l'appareil plus lentement que les particules à-faible poids spécifique ou de petit diamètre.Les durées de séjour plus longues que cela procurent pour -les particules de plus grande taille et plus lourdes réduisent la teneur résiduelle en carbone dans les cendres et augmentent le rendement de gazéification outre, ces trop-pleins multiples possèdent un effet d'accumulateur, de sorte qu'en cas d'alimentation irrégulière de la matière en grains, les températures de sortie du gaz ne varient pas avec la même intensité, I1 est également avantageux, suivant l'invention-, qu'une sortie pour le gaz résultant du processus de gazéification soit disposée en dessous de chaque fond intermédiaire ainsi quten dessous du fond tubulaire supérieur.De ce fait, on ob tient, au-dessus de chaque fond intermédiaire,des pressions partielles sensiblement constantes des gaz et vapeurs participant au processus. Si lton conduisait le gaz produit, à l'intérieur du récipient, vers le haut~, en lui faisant contourner tous les fonds intermédiaires, en particulier l'espace situé entre le - fond intermédiaire supérieur et le fond tubulaire supérieur renfermerait une trop forte teneur en gaz. Bien entendu il n'est pas nécessaire de retirer les gaz du récipient en dessous de chaque fond intermédiaire. I1 est également possible de prévoir, à l'intérieur du récipient, une chemise cylindrique à laquelle peuvent être raccordées les différentes sorties de gaz. I1 peut arriver, lorsque le charbon à traiter contient des parties incombustibles de taille relativement importante ou lorsque les cendres produites lors de la gazéification s' ag- glomèrent, que ces particules lourdes et de grande taille ne soient pas à a même de passer par les trop-pleins des fonds intermédiaires et s'accumulent au voisinage de ces fonds. I1 est alors nécessaire d'éliminer les accumulations, à des in tervalles réguliers, par des aispvsiU~Lons ons appropriées, par exemple par une augmentation de courte durée du débit de la vapeur amenée en dessous des fonds poreux. Pour prévenir de telles accumulations de cendres ou de partticules incombustibles sur les fonds intermédiaires, il est proporé, suivant une autre caractéristique de l'invention, que les trop-pleins présentent, au niveau des fonds intermédiaires, des ouvertures par lesquelles une faible partie de la matière en grains peut s'écouler en dessous des trop-pleins. De ce fait, une partie des particules se trouvant au voisinage du fond s' é- coule à travers ces ouvertures pour arriver sur le fond intermédiaire sous-jacent. Du fait que les particules de charbon non gazéifiées passent ainsi dans l'espace sous-jacent dans le lit fluidisé suivant, de température élevée, il est assuré que ces particules se trouvent également gazéifiées.Notamment lorsque les trop-pleins sont prévus en alternance à l'intérieur et à l'extérieur, ctest-à-dire au centre et au bord des fonds intermédiaires successifs, et lorsque la température des grains augmente de haut en bas, il est assuré ainsi que la matière sortant des gazéificateurs ne comporte pratiquement plus de parties non brillées. La section des ouvertures prévues dans les trop-pleins est avantageusement telle qu'environ 10 * de la quantité de matière passant par le trop-plein puisse d'écouler par lesdites ouvertures. Pour favoriser 11 écoulement, vers ces ouvertures, en particulier des particules de grande taille et lourdes, il est avantageux que les fonds intermédiaires soient légèrement inclinés en direction desdites ouvertures. I1 est également possible de prévoir dans les fonds intermédiaires des rigoles radiales légèrement inclinées en direction desdites ouvertures et débouchant chacune dans l'une desdites ouvertures. Ces rigoles conduisent les particules de plus grande taille et plus lourdes vers les ouvertures et évitent des accumulations aux angles entre les trop-pleins verticaux et les fonds intermédiaires sensiblement horizontaux. L'inclinaison nécessaire est évidemment faible dans un lit fluidisé. les rigoles dont les deux flancs sont avantageusement inclinés en V possèdent à leur fond une très faible inclinaison, par exemple d'environ 1/2 degré. Compte tenu de ces faibles inclinaisons, il peut également être suffisant que les fonds intermédiaires eux-memes présentent une forme conique et que les rigoles ne soient disposées qu'au voisinage des ouvertures des trop-pleins. en se référant au dessin annexé, on va décrire ci-après plus en détail plusieurs modes de réalisation illustratifs et non limitatifs de l'objet de l'invention ; sur ce dessin : la figure 1 est une coupe verticale axiale d'un réacteur à lits fluidisés pour la gazéification de charbon à l'aide de vapeur d'eau, avec chauffage par de la chaleur produite par voie nucléaire les figures 2 à 7 représentent plusieurs modes de réalisation des fonds intermédiaires et des ouvertures des trop-pleins du réacteur de la figure 1. La figure 1 représente un réacteur pour la gazéification de charbon à l'aide de vapeur d'eau, réacteur ayant un diamètre extérieur d'environ 5 m et une hauteur d'environ 20 m. D'après les calculs, il est possible, dans un tel appareil, à des températures d'entrée de l'hélium chauffé par voie nucléaire de 9500C et à des températures de sortie de 3000C, de gazéifier pratiquement complètement, àun débit d'environ 100 t par heure, du charbon avec une grosseur moyenne des grains de 5 mm. UL récipient 1 comporte, à son e- > rémité supérieure X un fond tubulaire 2 et un couvercle de fermeture 3 présentant une tubulure centrale 4 pour l'arrivée de la matière en grains, et une tubulure latérale 5 pour la sortie du fluide de chauffage (hélium) refroidi. En dessous du fond 2, ainsi qu'en dessous des fonds intermédiaires qui restent encore à décrire, est prévue chaque fois une sortie 6 pour le gaz produit par le processus dé gazéification. A son extrémité inférieure, le récipient 1 porte un fond tubulaire inférieur 7 et un couvercle inférieur de fermeture 8 pourvu d'une tubulure centrale 9 pour la sortie de la matière en grains et une tubulure latérale 10 pour l'arrivée du fluide de chauffage (hélium) chaud.Plusieurs fonds intermédiaires poreux 11, 13, 15 sont disposés entre les deux fonds tubulaires 2 et 7 et un fond intermédiaire 12 est disposé en dessous de chacun des fonds intermédiaires poreux 13, 15. Entre le fond tubulaire 7 et le fond intermédiaire poreux 11, ainsi qu'entre chacun des fonds intermédiaires 12 et les fonds intermédiaires poreux 13, 15 , débouche une tubulure d'entrée 14 pour la vapeur à l'aide de laquelle la matière en grains est fluidisée. Les fonds intermédiaires poreux 13 comportent chacun, sur le pourtour extérieur, un trop-plein extérieur 16, tandis que les fonds intermédiaires poreux 11, 15 présentent chacun un trop-plein central 17. La matière en grains parvient, en passant par les trop-pleins 16 et 17, chaque fois dans l'espace sous-jacent .La matière en grains pénétrant dans le récipient 1 en 4 parvient du fond poreux supérieur 13 par le trop-plein extérieur 16 dans 11 espace sous-jacent, où elle passe par le fond intermédiaire poreux 15 et le trop-plein central 17 de nouveau dans l'espace sous-jacent, etc. À partir de l'espace inférieur, les résidus de la matière en grains, principalement des cendres, sortent du récipient 2 par la tubulure centrale 9 Le fluide de chauffage, dans ce cas présent de l'hé- lium chauffé par voie nucléaire, arrive par la tubulure inférieure 10, est distribué par la plaque tubulaire 7 sur de nombreux tubes 17 verticaux, rectilignes, lisses, cède sa chaleur à la matière en grains et au gaz produit par le processus de gazéification et sort du récipient par la tubulure 5 prévue dans le couvercle supérieur 3. On reconnalt, en outre que des ouvertures 18 sont prévues à l'angle entre les fonds poreux 13 et les trop-pleins extérieurs 16, dans ces derniers, et à l'angle entre les fonds poreux 11, 15 et les trop-pleins intérieurs 17, dans ces derniers, ouvertures par lesquelles une faible partie de la matière en grains peut s'écouler directement dans l'espace sous-jacent à lit fluidisé ou dans la tubulure de sortie 9 en contournant les trop-pleins 16 et 17. Sur la figure 2, qui est une vue en plan d'un quart de cercle du fond intermédiaire 15, on reconnatt les ouvertures 39 dans le trop-plein central 17 Sur la figure 3, qui est une vue en plan d'un quart de cercle du fond iiscvmédiaire 13, on reconnaît les ouvertures 18 dans le trop~plein extérieur 16. La figure 4 est une coupe suivant IV-IV de - la figure 2 montrant les rigoles radiales prévues dans le fond intermédiaire 15 et débouchant dans les ouvertures 19 du trop-plein 17. De façon analogue la figure 5 est une coupe suivant V-V de la figure 3, montrant les rigoles radiales prévues dans le fond intermédiaire 13 et débouchant dans les ouvertures 18 du tropplein 16. La figure 6 est une coupe suivant VI-VI de la figure 2 , montrant également les rigoles radiales du. fond 15 et la manière suivant laquelle ces rigoles sont inclinées et débouchent vers les ouvertures 19. La figure 7 est une coupe correspondante suivant Vil-Vil de la figure 3, montrant les rigoles radiales du fond interméz diaire 13 débouchant dans les ouvertures 18-. Le réacteur conforme à l'invention convient particulièrement, dans son application à la gazéification de charbon, du fait de sa construction compacte et de la faible surface qu'il occupe sur le sol, au montage à l'intérieur du récipient de sécu; > té de réacteurs nucléaires à haute température, refroidis à lthélium. REVENDICATIONS 1. Réacteur à lits fluidisés , du type à chauffae,com- portant un fond intermédiaire horizontal, poreux, pour une matière en grains, avec introduction de la vapeur participant au processus de réaction en dessous du lit fluidisé et extraction du gaz produit par le processus au-dessus du lit fluidisé, ce réacteur étant caractérisé par le fait : a) qu'il comprend un récipient cylindrique vertical b) que ledit récipient renferme plusieurs fonds intermédiaires horizontaux superposés -; c) que l'arrivée et la sortie de la matière en grains par rap port aux fonds intermédiaires sont disposées en alternance en position centrale et au bord des fonds intermédiaires d) que le fluide de chauffage traverse le récipient de bas en haut r) que/qiuide de chauffage passe dans des tubes verticaux, recti lignes, lisses. 2. Réacteur suivant la revendication 1 , caractérisé par le fait que les fonds intermédiaires présentent, en alternance à l'extérieur et à l'intérieur, un trop-plein pour la matière en grains. 3. Réacteur suivant la revendication 1 , caractérisé par le fait qu'une sortie pour le gaz produit par le processus est disposée en dessous de chaque fond intermédiaire ainsi qu'en dessous du fond tubulaire supérieur. 4. Réacteur suivant la revendication 2 , caractérisé par le fait que les trop-pleins présentent, à la hauteur des fonds intermédiaires, des ouvertures par lesquelles une faible partie de la matière en grains peut s'écouler en dessous des trop-pleins. 5. Réacteur suivant la revendication 4 , caractérisé par le fait que les fonds intermédiaires sont légèrement inclinés en direction desdites ouvertures. 6. Réacteur suivant la revendication 4 , caractérisé par le fait que les fonds intermédiaires comportent des rigoles légèrement inclinées en direction desdites ouvertures et débouchant dans ces dernière s0