Brevet FR2476273A1 — publié le 19810821

La présente invention se réfère à un foyer de combustion à lit fluidisé ainsi qu'à un procédé d'utilisation de celui-ci, et elle vise plus particulièrement un tel foyer et un tel procédé suivant lesquels on établit à l'intérieur d'une seule enveloppe deux lits ou plus d'une matière divisée. L'utilisation de lits fluidisés est considérée depuis longtemps comme un moyen de production de chaleur intéressant. Normalement dans un tel agencement l'air passe à travers un lit de particules, lequel renferme d'ordinaire un mélange d'une matière inerte, d'une matière combustible telle qu'un charbon bitumineux à forte teneur en soufre, et d'une matière d'absorption du soufre libéré par la combustion de ce charbon. Du fait du passage de l'air le lit se comporte à la façon d'un liquide en ébullition, ce qui facilite la combustion. L'avantage essen- tiel d'une telle disposition réside dans un taux de transfert de chaleur relativement élevé, une température du lit substantiellement régulière, la réalisation de la combustion à des températures relativement basses, la facilité de manipulation du combustible, une diminution de la corrosion et de l'encrassement de la chaudière, et une réduction des- dimensions de celle-ci. Dans le procédé de combustion à lit fluidisé, pour assurer la retenue par adsorption du soufre dégagé par le combustible il faut maintenir la température du lit très voisine d'une valeur prédéterminée (normalement 1500 à 1550'F, soit environ 816 à 8430C) . Mais à pareille température la matière constitutive du lit renferme beaucoup d'imbrûlés, notamment dans le cas o l'on utilise des combustibles peu réactifs ou de dimension relativement forte. Comme par ailleurs ce lit doit être évacué de façon continue pour éliminer la matière épuisée, une forte proportion de ces imbrûlés passe à la décharge. Cela aboutit bien entendu à une diminution de la récupération de la chaleur sensible dans le lit et du rendement total du système. La présente invention vise par conséquent à réaliser un foyer à lit fluidisé et un procédé d'utilisation de celui-ci qui permettent de brûler une proportion relativement élevée des matières combustibles. L'invention vise encore - à établir un foyer et un procédé du genre cidessus suivant lesquels plusieurs zones ou chambres sont prévues à l'intérieur de l'enveloppe du foyer, l'une de ces chambres étant maintenue à une température compatible avec la récupération du soufre par la matière d'adsorption renfermée par le lit, tandis qu'une autre se trouve à une température suffisante pour assurer la combustion complète du combustible; - à réaliser un tel foyer et un tel procédé dans lesquels un lit fluidisé est établi dans une chambre principale, la matière divisée étant amenée à une seconde chambre pour achever d'y brûler, puis à une troisième chambre dans laquelle elle se refroidit avant d'être évacuée du foyer; - à établir un foyer et un procédé d'utilisation de celui-ci dans lesquels l'écoulement de l'air de fluidisation et de combustion vers chaque chambre ou zone soit réglé de façon individuelle. Pour obtenir les résultats qui précèdent, ainsi d'ailleurs que d'autres, le système suivant l'invention comprend une enveloppe, plusieurs cloisons substantiellement verticales disposées dans celle-ci pour la diviser en une première, une seconde et une troisière chambre, lesquelles sont mises en communication par des ouvertures prévues dans les cloisons. - On réalise un lit d'une matière divisée renfermant du combustible dans au moins la première et la seconde chambre et l'on fait passer de l'air à travers chaque lit pour fluidiser la matière divisée dans ces deux chambres et pour refroidir celle que renferme la troisième. L'on ajoute du combustible dans la première chambre pour y maintenir une combustion continue et l'on y tient la température à une valeur correspondant à l'adsorption optimale du soufre résultant de celle-ci. Dans la seconde chambre la température est maintenue à une valeur propre à assurer la combustion de substantiellement tous les imbrûlés, puis on fait passer la matière dans la troisième chambre o elle est refroidie avant d'être déchargée. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer: Fig. 1 est une vue partielle en perspective avec arrachements, montrant un foyer suivant l'invention. Fig. 2 en est une vue en plan à plus petite échelle. Fig. 3 et 4 sont des coupes respectivement suivant 3-3 et 4-4 (fig. 2). Fig. 5 et 6 sont des vues semblables à celle de fig. 2, mais montrant d'autres formes d'exécution de l'invention. Si l'on se réfère aux dessins qui représentent un foyer de combustion à lit fluidisé suivant l'invention avec des variantes, la référence 10 désigne de façon générale une enveloppe comprenant une paroi antérieure 12, une paroi arrière 14 et deux parois latérales 16 et 18. Ces parois 12, 14, 16, 18 sont définies par un certain nombre de tubes reliés les uns aux autres à la façon connue, étant entendu que les extrémités de ceux-ci peuvent être raccordées à des collecteurs d'entrée et de sortie pour permettre à l'eau qui s'écoule dans ces tubes de recevoir de la chaleur à partir du foyer. L'enveloppe 10 comporte également un toit (non représenté) et une paroi inférieure qu'on décrira plus en détails ciaprès. A l'intérieur de l'enveloppe 10 est disposée une cloison 20 qui s'étend entre les parois latérales 16 et 18 à une certaine distance de la paroi arrière 14 et parallèlement à elle. Il est prévu une autre cloison 22 s'étendant entre la précédente 20 et ladite paroi arrière 14, parallèlement aux parois latérales 16, 18 et à une certaine distance de l'une et de l'autre de celles-ci. Une troisième cloison 23 est disposée parallèlement à la paroi arrière 14 et à son voisinage immédiat, entre la paroi latérale 16 et la seconde cloison 22. Il résulte de la disposi- tion sus-décrite que les parois 12, 16, 18 et la cloison 20 définissent une première chambre principale 24, une seconde chambre 26 étant définie par la paroi 16 et les cloisons 20, 22, 23, et une troisième 28 par les parois 14, 18 et les cloisons 20, 22. Les parois inférieures de chambres 24, 26 et 28 sont constituées par une plaque perforée ou grille 30 qui s'étend entre les parois verticales 12, 14, 16 et 18. Les cloisons 20, 22 et 23 s'élèvent vertica- lement à partir de cette grille 30 jusqu'à un plan horizontal situé au dessous de celui du toit de l'enveloppe afin de ménager un espace libre - entre ce toit et leurs bords supérieurs. Immédiatement au dessous de chacune des chambres 24, 26 et 28 s'étend un espace ou caisson à air, respectivement 32, 34 et 36. Une conduite d'alimentation représentée schématiquement en 40 reçoit l'air d'une source extérieure (non représentée) et l'amène au caisson 32. De cette conduite 40 en part une autre 42, laquelle amène l'air de la première à deux dérivations 44 et 46 aboutissant respectivement aux caissons 34 et 36. Une vanne 48 est prévue sur la conduite 40 et sur les dérivations 44 et 46 pour permettre de commander l'écoulement de l'air dans les caissons respectifs 32, 34 et 36. Il en résulte qu'il est possible de régler individuellement l'admisssion de l'air dans les chambres 24, 26 et 28. Dans la partie basse de la cloison 20 il est ménagé deux ouvertures et 52 pour permettre à-la matière divisée de la chambre 24 de passer dans la chambre 26. De même la cloison 22 comporte une ouverture 54 par laquelle cette matière peut aller de la chambre 26 à la chambre 28. Enfin dans la paroi 18 est prévue une ouverture de sortie 56 qui communique avec la chambre 28 pour décharger cette matière de ladite chambre et de l'enveloppe 10 dans une canalisation 58 commandée par une vanne 60. Dans chacune des chambres 24 et 26 est établi un lit de matière divisée qui s'élève jusqu'à un niveau légèrement inférieur à celui du bord supérieur des cloisons 20, 22 et 23, comme indiqué par le tracé 62 en fig. 1. Chacun de ces lits comprend un mélange de charbon broyé et d'une matière inerte telle que du sable ou du minerai d'hématite de fer de type commercial. On y prévoit également du calcaire ou de la dolomite Sous forme de poudre fine pour assurer l'adsorption du soufre libéré pendant la combustion du charbon. Deux ouvertures d'entrée 64 et 66 sont établies dans la paroi latérale 18 pour permettre respectivement l'intro- duction continue du combustible divisé et celle de la matière d'adsorption dans la partie haute de la chambre 24. Ainsi qu'on la signalé plus haut, bien que les dessins ne le montrent pas, il est prévu un toit au dessus des parois 12, 14, 16 et 18, ce toit comportant une sortie unique pour l'évacuation du mélange d'air et de produits de combustion gazeux qui provient des chambres 24, 26 et 28. Par ailleurs deux injecteurs 70 et 72 sont disposés pour renvoyer dans la chambre 26 la matière divisée entratnée par ce mélange- gazeux sortant de l'enveloppe du foyer 10 et qui a été séparée de celui-ci par des appareils extérieurs (non représentés). Une entaille 74 creusée dans le haut de la cloison 22 permet à la, matière divisée de s'écouler de la chambre 26 à la chambre 28 dans le cas o le niveau s'éleverait à l'intérieur de la première au-dessus de celui représenté par le tracé 62. La paroi latérale 16 comporte une ouverture 76 qui communique avec la chambre 26 pour recevoir un dispositif d'allumage ou analogue en-vue d'enflamter le lit de matière divisée dans celle-ci pour les raisons qu'on décrira plus en détail ci-dessous. Il est prévu dans la chambre 24 un certain nombre de tubes d'échange de chaleur dont l'un a été indiqué avec la référence 80. Chacun de ces tubes s'étend entre un collecteur d'entrée 82 et un collecteur de sortie 84 disposés l'un et l'autre extérieurement à l'enveloppe 10 et il traverse la paroi antérieure 12 avant de s'étendre en serpentin à l'intérieur du lit de matière divisée se trouvant dans la chambre 24. On peut ainsi faire passer de l'eau dans ces tubes pour l'échauffer et en même temps abaisser la température du lit. Lorsque le foyer 10 fonctionne, de l'air est envoyé dans le caisson 32 par la conduite 40 pour fluidiser le lit de matière divisée qui se trouve dans la chambre 24; après allumage préalable le combustible y brûle en cédant sa chaleur sensible à l'eau qui circule dans les tubes 80. On introduit du combustible et de la matière d'adsorption dans la partie haute du lit de cette chambre par les ouvertures respectives 64 et 66. Pour assurer l'adsorption optimale du soufre on maintient la température de ce lit au voisinage immédiat d'une valeur prédéterminée, normalement 1500 à 1550 F (soit 816 à 8430 C), comme indiqué plus haut. Ce maintien est assuré par la présence des tubes de refroidissement 80, par le réglage du débit d'air amené dans la chambre à travers la vanne 48 correspondante, par la hauteur du lit et par la quantité de combustible introduite dans celui-ci par l'ouverture d'alimentation 64. Une partie de la matière divisée de la chambre 24 passe par les ouvertures 50 et 52 dans la chambre 26, laquelle est maintenue à une température convenable pour obtenir la combustion optimale des particules imbrûlées reçues de la chambre 24. Cette température varie évidemment en fonction des divers paramètres opératoires associés à cette chambre 26, tels que le débit d'air qui la traverse, la hauteur du lit qu'elle renferme, la quantité de combustible que ce lit contient, etc... A titre d'exemple la température en question peut être d'environ 18000 F (soit à peut près 982 C). Il résulte de ce qui précède qu'un pourcentage élevé de la matière combustible de la chambre 26 y est brûlée, tandis que la matière épuisée (cendres et imbrûlés) avec les charges inertes et la matière d'adsorption, traverse l'ouverture 54 de la cloison 22 pour passer de la chambre 26 à la chambre 28. L'air qui passe verticalement de bas en haut dans cette chambre 28 à partir de la dérivation 46 et sous contrôle de la vanne 48 correspondante, refroidit la matière avant qu'elle ne soit évacuée par l'ouverture 56 et la canalisation de décharge 58. On comprend qu'ainsi l'on peut brûler dans le foyer 10 une fraction du combustible introduit plus élevée que ce qu'il a été possible d'atteindre jusqu'ici, tout en conservant l'adsorption optimale du soufre et en augmentant le dégagement de chaleur sensible ainsi que le rendement global du processus. Un autre avantage de la présente invention est que la chambre 26 peut servir de chambre de mise en marche du foyer. En d'autres termes quand on veut faire démarrer le fonctionnement complet de celui-ci l'on peut enflammer le combustible dans ladite chambre par le moyen d'un dispositif d'allumage ou analogue introduit à travers l'ouverture 76 de la paroi 16 et mis ainsi en communication avec cette chambre 26. Il est ensuite possible d'élever le niveau du combustible dans le lit correspondant de façon que le combustible allumé déborde dans la chambre 24 et y allume à son tour le combustible que celle-ci renferme. En variante on peut prévoir un jet d'air ou analogue qui traverse les ouvertures 50 et 52 pour arriver ainsi à la chambre 24. Bien entendu, une fois le foyer mis en marche à la façon sus-exposée, on le fait fonctionner comme décrit plus haut. Fig. 5 et 6 montrent une variante dans la disposition des lits pour le foyer montré en fig. 1 à 4. Plus particulièrement, suivant la forme d'exécution de fig. 5 il est prévu à l'intérieur de l'enveloppe deux cloisons supplémentaires 90 et 92, ces cloisons s'étendant parallèle- ment à la cloison 20 pour diviser la chambre 24 en trois chambres élémentaires 24a, 24b et 24c. Dans chacune de ces cloisons 90 et 92 sont percées deux ouvertures 94 destinées à assurer la communication entre les chambres élémentaires 24a, 24b d'une part et 24b, 24c d'autre part. Par conséquent la matière divisée renfermant le combustible et qui est continuellement introduite dans chacune de ces trois chambres élémentaires, passe de la première à la seconde et de la seconde à la troisième avant d'arriver aux chambres 26 et 28 à la façon décrite pour la forme d'exécu- tion précédente. Les chambres 24a, 24b, 24c sont maintenues à une température compatible avec l'adsorption du soufre, comme exposé cidessus en référence à cette première forme d'exécution. Quant aux chambres 26 et 28, elles fonctionnent elles aussi de la même manière que ci-dessus. Outre qu'elle assure une très forte fixation du soufre et une combustion maximale du combustible, comme dans la forme d'exécution des figures précédentes, la disposition de fig. 5 permet une capacité supplémentaire pour encaisser les variations de charge; en d'autres termes la chambre 24a (et celle 24b, si nécessaire) peut ne pas être fluidisée lors des charges relativement faibles, mais l'être au contraire lorsqu'il le faut pour supporter des charges plus fortes. La forme d'exécution de fig. 6 est semblable à celle de fig. 5 à ceci près qu'une première cloison 96 s'y étend entre la cloison 20 et la paroi intérieure 12, tandis qu'il en est prévu une seconde 98 entre les parois latérales 16 et 18, cette seconde cloison intersectant la première de manière à définir avec elle quatre chambres élémentaires 24d, 24e, 24f, 24ú. On comprend qu'il est ménagé dans les parois 16 et 18 des ouvertures d'entrée pour l'introduction de la matière divisée et du combustible dans la mesure nécessaire pour amener ce dernier et la matière d'adsorption aux chambres 24d, 24e, 24f et 24g. La cloison 96 comporte deux ouvertures 100 destinées à assurer l'écoulement de la matière divisée des chambres 24d et 24e dans les chambres respectives 24f et 24f. Une ouverture 102 pratiquée dans la cloison 98 permet l'écoulement de cette matière de la chambre 24g à la chambre 24f avant qu'elle n'arrive dans les chambres 26 et 28 à la façon décrite en liaison avec la première forme d'exécution. Les chambres 24d, 24e, 24f, 24g fonctionnent de façon semblable à la chambre 24 de cette première forme d'exécution. Quant au fonctionnement des chambres 26 et 28, il reste celui décrit plus haut. Ainsi la disposition de fig. 6 comporte la même souplesse d'adapta- tion aux variations de charge que celle de fig. 5, tout en assurant une forte fixation du soufre et un degré maximal de combustion du combustible. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. R E V E N D I C A T IO N S 1. Procédé pour assurer le fonctionnement d'un foyer à lit fluidisé, caractérisé en ce qu'il comprend les phases opératoires ci-après: - on établit un lit de matière divisée renfermant du combus- tible à l'intérieur d'au moins une première et une seconde chambre - on fait passer de l'air dans chacun de ces lits pour fluidiser la matière divisée et pour assurer la combustion du combustible; - on maintient la température à l'intérieur de la seconde chambre à une valeur supérieure à celle qui règne dans la première; - on permet à la matière de s'écouler de la première à la seconde chambre et de la seconde vers une troisième; - on fait passer de l'air dans cette troisième chambre pour refroidir la matière qui s'y trouve; - et l'on permet à la matière ainsi refroidie de s'évacuer de cette troisième chambre. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on n'ajoute pas de combustible à la seconde chambre en plus de celui qu'elle reçoit de la première, de sorte que l'air qui traverse le lit de cette seconde chambre y assure la combustion du combustible à un degré plus poussé. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le fait de commander individuellement le débit d'air qui arrive à chaque chambre et qui la traverse. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait passer dans la seconde chambre un débit d'air suffisant pour y assurer la combustion complète du combustible. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on fait passer un milieu d'échange de chaleur relativement froid à travers la première chambre. 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à allumer le combustible dans la seconde chambre et à faire passer le combustible ainsi allumé de cette seconde chambre à la première pendant la mise en marche du foyer. 7. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à évacuer le mélange d'air et de produit de combustion à partir des chambres à travers une sortie unique. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à séparer du mélange d'air et de gaz de combustion la matière divisée qui a pu y être entratnée et à injecter dans la seconde chambre la matière ainsi séparée. 9. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le lit y renferme une matière d'adsorption du soufre contenu par le combustible et en ce que la première chambre est maintenue à une température compati- ble avec cette adsorption. 10. Foyer à lit fluidisé, pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce qu'il comprend les éléments ou dispositions suivants dont certains au moins sont connus soit à l'état isolé, soit dans des combinaisons différentes de celle ci-après - une enveloppe; - un certain nombre de cloisons substantiellement verticales disposées à l'intérieur de cette enveloppe pour la diviser en une première, une seconde et une troisième chambre - des moyens pour établir dans la première et la seconde chambre un lit de matière divisée renfermant du combustible; - des moyens associés aux cloisons pour permettre à la matière de s'écouler de la première chambre à la seconde et de la seconde à la troisième; - des moyens respectivement associés à chacune des chambres pour faire passer de l'air à travers le lit qu'elle renferme en vue de fluidiser la matière divisée constitutive de ce lit et d'une part assurer la combustion du combustible dans la première et la seconde chambre, d'autre part refroidir la matière dans la troisième; - des moyens pour ajouter du combustible au lit de la première chambre en vue d'y maintenir une combustion continue; - et des moyens associés à la troisième chambre pour permettre l'évacuation continue à partir de celle-ci de la matière divisée refroidie. 11. Foyer suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'aucun combustible n'est ajouté à la seconde chambre en plus de celui qu'elle reçoit de la première, de sorte que l'air qui traverse le lit renfermé par cette seconde chambre assure la combustion du combustible qu'elle renferme de façon à ce que celui-ci soit brûlé de manière plus complète dans ladite seconde chambre. 12. Foyer suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens associés à chaque chambre pour régler individuellement le débit d'air qui lui arrive et qui la traverse. 13. Foyer suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de réglage amènent à la seconde chambre un débit d'air suffisant pour y maintenir un rapport air-combustible plus élevé que dans la première chambre. 14. Foyer suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens échangeurs de chaleur disposés dans la première chambre et d'autres moyens pour faire passer dans les précédents moyens un milieu d'échange relativement froid. 15. Foyer suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour allumer le combustible dans la seconde chambre et des moyens pour faire passer le combustible ainsi allumé de la seconde chambre à la première pendant la mise en marche du foyer. 16. Foyer suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une sortie de gaz unique associée à l'enveloppe et par laquelle le mélange d'air et de gaz de combustion provenant des chambres s'évacue à partir de l'enveloppe. 17. Foyer suivant la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour injecter dans la seconde chambre la matière divisée éventuellement entraînée par le mélange d'air et de gaz de combustion.