Brevet FR2474146A1 — publié le 19810724

L'invention concerne une installation de combustion à lit fluidisé comprenant une chaudière à lit fluidisé présen- tant un conduit d'admission et un conduit de sortie pour du liquide et une boucle dans laquelle le liquide peut être transformé en vapeur par chauffage. Il est connu que les chaudières à lit fluidisé peuvent assurer une combustion optimale du charbon, le soufre dégagé pendant la combustion du charbon étant pour l'essentiel capté par la chaux présente dans le lit fluidisé. Un avantage important de ce type de combustion est donc qu'il est extrêmement bénéfique pour l'environnement. Dans les chaudières à lit fluidisé selon l'art antérieur, la chaleur dégagée au cours de la combustion est destinée à chauffer l'eau qui circule dans une boucle disposée dans le lit pour sa vaporisation, et la vapeur peut être utilisée ultérieurement, par exemple pour la production d'électricité. - Un inconvénient afférent aux chaudières à lit fluidisé selon l'art antérieur est que celles-ci peuvent exclusivement être utilisées à pleine charge, dans le cas d'une charge partielle, la quantité d'eau fournie est plus petite et il en résulte que la température de cette eau augmente. Pour une retenue optimale du soufre dégagé, la température du lit doit être de 8500 C, alors qu'en pratique, dans le cas de la pleine charge, la température d'ébullition de l'eau sous pression est approximativement de 2500 C. Dans le cas d'une charge partielle, la température moyenne de l'eau devrait croltre fortement, d'o il résulterait simultanément un fort accroissement de pression, cette augmentation de pression, en combinaison avec l'augmentation de température, étant non seulement inadmissible pour la mise en oeuvre d'une boucle vapeur/eau ajoutée à la suite, mais faisant aussi naitre des problèmes insurmontables en ce qui concerne le choix du matériau des tuyaux de l'échangeur de chaleur dans lesquels circule l'eau dans le lit. D'autres liquides utilisables pra- tiquement qui. en résultat de l'absorption de la chaleur, ont des basses températures d'ébullition (transition liquide/vapeur), entraînent les mêmes problèmes en ce qui concerne le choix des matériaux. Le but de l'invention est de fournir une chaudière à lit fluidisé pour laquelle, à la température de combustion 2 2474146 optimale d'environ 8500 C, la quantité de chaleur fournie par unité de volume du liquide de refroidissement puisse effecti- vement varier sur une plage importante. L'invention est caractérisée en ce qu'est prévue une boucle intermédiaire qui est, d'une part, accouplée au lit fluidisé et, d'autre part, accouplée à la boucle liquide/ vapeur en dehors du lit fluidisé, des moyens étant prévus pour faire circuler un fluide de refroidissement dans la boucle intermédiaire. Grâce au fait que le fluide de refroi- dissement présent dans la boucle intermédiaire n'a pas de transition liquide-.vapeur, il est possible d'utiliser en tant que fluide de refroidissement, un gaz ou un métal à point de fusion très bas (par exemple du métal de Wood), Une forme de réalisation de l'invention sera maintenant décrite à titre d'exemple, en liaison avec le dessin annexé dans lequel: - - la figure 1 représente schématiquement une installa- tion de combustion à lit fluidisé présentant une boucle inter- médiaire selon l'invention, et - la figure 2 représente schématiquement une installa- tion selon la figure 1 équipée d'une boucle intermédiaire modifiée. La figure 1 représente une installation de combustion à lit fluidisé qui comprend une multiplicité de turbines à gaz auxquelles sont accouplés des compresseurs et des géné- rateurs, référencés par 1, 2 et 3, qui servent à commander l'air fourni au lit tourbillonnant, une ou plusieurs turbines à gaz étant mises en action pour la fourniture d'air au lit tourbillonnant, pour des raisons de rendement, en fonction de la charge de l'installation de combustion. Cet air est fourni à la chaudière 8 à lit fluidisé qui contient le lit tour- billonnant de chaux mélangé à du charbon, un conduit pour l'échappement des gaz de combustion étant d'autre part connecté à la chaudière. Ces gaz de combustion, qui sont sous haute pression, sont fournis, en passant par une multi- plicité de dispositifs 12 de séparation de poussière (par exemple des cyclones), aux turbines à gaz 1 à 3 o ils four- nissent, d'une part, l'énergie requise pour la compression de l'air et, d'autre part, l'énergie restante qui est con- vertie en électricité au moyen des générateurs pour empêcher que, dans le cas d'une chiarge progressive, l'énergie four- nie par les gaz de combustion soit insuffisante pour en- trainer une grosse turbine à gaz avec un compresseur, une multiplicité de turbines à gaz plus petites sont prévues connectées en parallèle et qui peuvent être mises en marche ou arrêtées suivant les besoins. Dans les installations de combustion à lit fluidisé connues, une boucle eau/vapeur est disposée dans le lit fluidisé et la vapeur est utilisée pour la production de l'électricité. Cette configuration a les inconvénients décrits au début. L'installation de combustion selon l'invention est équipée d'une boucle intermédiaire 4, 5 qui est conduite au travers du lit fluidisé et dans laquelle un gaz, tel que de l'air ou de l'hélium, est présent en tant que fluide de refroidissement. On peut aussi mettre en oeuvre des métaux liquides,tels que du métal de Wood. Le fluide de refroi- dissement est entraîné au moyen d'un ventilateur 6 de recy- clage par le conduit 5 vers le lit et, en fonction de la quantité de fluide de refroidissement fournie par unité de temps, prélève une quantité plus ou moins grande de chaleur dans le lit. Ce fluide de refroidissement chauffé circule par un conduit d'échappement de la boucle intermédiaire jusqu'à un générateur de vapeur 9 o la chaleur peut être transmise au moyen d'un échangeur de chaleur à un conduit 11 eau/vapeur pour produire de la vapeur, qui peut à nouveau être utilisée pour la production de l'électricité. La chaudière à lit fluidisé et le générateur de vapeur sont disposés conjointement dans un vase 10 sous pression. Comme mentionné plus haut, on utilise de préférence un gaz, en particulier de l'hélium ou de l'air, comme agent de refroidissement pour la boucle intermédiaire. Si on utilise de l'air, on peut prévoir un conduit 7 d'égalisation, tel que représenté en lignes tiretées à la figure 1. Ce conduit 7 assure que la pression dans la boucle intermédiaire est égale à la pression de l'air de combustion amené dans le lit. En l'absence de ce conduit d'égalisation, vu les hautes températures de l'air, (jusqu'à 7000 C), un appareillage de commande de processus devrait être disponible afin d'em- pêcher l'apparition de hautes différences de pression inad- missibles dans et au-dehors des conduits. Le conduit d'éga- 4 2474146 lisation peut être considéré comme étant un moyen de commande de processus extrêmement fiable et avantageux. Lorsqu'on uti- lise de l'hélium, un tel conduit d'égalisation ne peut natu- rellement pas être mis en oeuvre et des mesures de commande de processus plus onéreuses doivent être prévues pour égali- ser ladite différence de pression. L'utilisation de l'air en tant que fluide de refroidissement est donc avantageuse du point de vue de la commande du processus, mais peut nécessiter un générateur de vapeur relativement volumineux et un gros TO ventilateur de-recyclage, des problèmes d'érosion pouvant alors apparaître aux grandes vitesses de déplacement. Par contre, l'hélium nécessite la mise-en oeuvre d'une installa- tion d'égalisation de pression plus compliquée, mais il a une conductivité thermique meilleure que-l'air, de sorte que des vitesses de déplacement plus petites sont possibles,donc qu'un ventilateur plus petit est utilisable. Il n'y a pas de relation linéaire entre la vitesse du ventilateur 6 de recyclage et la sous-charge du lit flui- disé, un doublement de la vitesse du ventilateur ne provo- quant pas en l'occurrence un doublement de la charge. Pour- rendre cette relation linéaire ou pour faire tourner le ventilateur à vitesse constante, ce qui est avantageux du point de vue de la commande du processus, un conduit de shuntage 14 (figure 2) peut être prévu. Par ce conduit de shuntage, une partie du fluide de refroidissement chauffée dans le lit fluidisé peut à nouveau être fournie directement au ventilateur par un distributeur 13 à trois voies, sans passer par l'échangeur de chaleur dans le générateur de vapeur. En couplant la position du distributeur trois voies à la vitesse du ventilateur, on peut obtenir sélectivement une relation linéaire entre la vitesse du ventilateur et la sous-charge, ou une vitesse de ventilateur constante. Il ressort clairement de ce qui précède que l'invention fournit une installation fiable qui permet de régler,sur une large plage,la charge, et donc la quantité d'électricité produite par une installation de combustion à lit fluidisé. ILLVENDIC.. i IONS 1. Installation de combustion à lit fluidisé, compre- nant une chaudière à lit fluidisé présentant un conduit d'admission et un conduit de sortie pour du liquide, et une boucle dans laquelle le liquide est transformé en vapeur par chauffage, caractérisée en ce qu'est prévue une boucle intermédiaire (4, 5) qui est, d'une part, accouplée au lit fluidisé (8) et, d'autre part, accouplée,àh l'extérieur du lit fluidisé (8), à la boucle liquide-vapeur (11), des moyens (b) étant prévus pour faire circuler du fluide de refroidissement dans la boucle intermédiaire. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la boucle intermédiaire (4, 5) est conçue en tant que boucle dans laquelle de l'air est le fluide de refroidissement, un conduit d'égalisation de pression (7) étant prévu entre le conduit d'admission de liquide et le conduit de fourniture de fluide de refroidissement au lit fluidisé de la boucle intermédiaire. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la boucle intermédiaire (4, 5) est conçue en tant que boucle dans laquelle le fluide de refroidissement est de l'hélium. 4. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce qu'un conduit de connexion (14) est prévu entre le conduit de sortie (4) du fluide de refroidissement à partir du lit fluidisé de la boucle intermédiaire et le conduit (5) pour fournir du fluide de refroidissement au lit fluidisé de la boucle intermédiaire, de telle manière qu'une quantité prédéterminée de fluide de refroidissement chauffé peut être fournie au moyen de circulation (6) sans que ledit fluide soit couplé à la boucle liquide-vapeur.