Brevet FR2491350A1 — publié le 19820409

La présente invention concerne un réacteur à lit fluidisé à serpentins de refroidissement, et notamment un arrangement nouveau d'une structure d'échange de cha- leur destiné à régler la température de fonctionnement du lit fluidisé formé par des matières particulaires, dans un réacteur. Les réacteurs à lit fluidisé sont des appareils extrêmement souples qui, avec diverses configurations, peuvent mettre en oeuvre des opérations de séchage, de classement, de grillage, de calcination, de traitement thermique de matières solides avec des gaz, dans les do- maines chimiques, métallurgiques et de traitement d'autres matières, ainsi que pour la formation de gaz chauds, no- tamment de vapeur d'eau, destinée à l'entraînement d'appa- reillages générateurs d'énergie électrique. Lorsque le réacteur à lit fluidisé est utilisé pour la mise en oeuvre de réactions exothermiques, il est souvent nécessaire que la température dans le réacteur ne puisse pas attein- dre des valeurs excessivement élevées, et on utilise desdispositifs de refroidissement placés soit dans le volume laissé libre au-dessus du lit, soit dans le lit lui-même formé par les matières solides fluidisées. Les dispositifs de refroidissement peuvent être sous forme de serpentins dans lesquels circule un fluide, qui peut être un gaz ou un liquide, destiné à entraîner l'excès de chaleur. La chaleur retirée par le fluide peut souvent être utilisée pour le chauffage dans d'autres opérations d'un processus ou pour la création d'énergie. Parfois, des serpentins de refroidissement sont disposés dans les parois de la chambre de réaction et ils y sont bien pro- tégés contre les conditions souvent très dures d'érosion dans la chambre du réacteur. Les conditions régnant dans le lit fluidisé sont les plus sévères dans des réactions exothermiques car la température du lit peut être plus élevée qu'à tout autre emplacement dans le réacteur, et l'agitation violente et la concentration relativement élevée des particules créent lesconditions les plus érosives qui peuvent exister dans le réacteur. On a couramment orienté horizontalement des serpentins d'échange de chaleur placés dans les lits, ces serpentins ayant la configuration d'épingles à che- veux et étant raccordés en série. Les brevets des Etats- Unis d'Amérique n0 2 789 034, 2 825 628 et 4 096 909 dé- crivent des configurations de serpentins horizontaux de ce type. En général, les configurations horizontales sont les meilleures lorsqu'il faut seulement une surface mo- dérée d'échange de chaleur car les serpentins horizontaux peuvent pénétrer par le côté du réacteur et être supportés sur les côtés d'une manière relativement simple. L'orientation verticale des serpentins utilisés jusqu'à présent a provoqué soit un encombrement du volume libre au-dessus du lit dans le réacteur du fait de la présence de collecteurs et de supports, soit une complication de la structure associée à la plaque d'introduction de gaz de fluidisation. Les serpentins horizontaux sont soumis à une abrasion qui est un multiple élevé de celle que subissent les serpentins orientés verticalement. Cette exposition à l'abrasion a un effet considérable sur la durée de vie prévue des serpentins horizontaux et, dans les mêmes con- ditions d'utilisation, les serpentins verticaux ont une durée prévisible de vie au moins égale à 3 à 5 fois celle des serpentins horizontaux. Il faut noter que les coudes formés dans les tubes des serpentins de chauffage, dans la région-du lit fluidisé du réacteur, sont détériorés de façon importante par l'abrasion du fait de la tur- bulence locale provoquée par les coudes. L'invention concerne un arrangement de serpen- tins d'échange de chaleur placé dans un réacteur à lit fluidisé, ces serpentins ayant une orientation verticale dans la région du lit fluidisé du réacteur, mais ayant des coudes supérieur et inférieur protégés contre l'érosion dans le lit ou isolés par rapport à celle-ci. Ainsi, l'invention concerne un réacteur à lit fluidisé ayant un échangeur de chaleur perfectionné. Elle concerne aussi un tel réacteur à lit flui- disé ayant des serpentins d'échange de chaleur disposés verticalement et amoviblesou remplaçables. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va sui- vre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe partielle d'un ré- acteur à lit fluidisé ayant des serpentins verticaux d'é- change de chaleur selon l'invention; - la figure 2 est une coupe partielle d'un réac- teur à lit fluidisé ayant des serpentins verticaux d'échange de chaleur selon l'invention; et - la figure 3 est une perspective d'un panneau ou capot amovible sur lequel sont montés des serpentins d'échange de chaleur, dans un mode de réalisation de l'in- vention. Le réacteur à lit fluidisé selon l'invention comprend une enveloppe ayant une chambre de réaction qui contient une zone de formation d'un lit fluidisé dans sa partie inférieure et une zone de dégagement au-dessus de la zone du lit fluidisé, une botte à vent séparée de la chambre de réaction par une plaque d'introduction de gaz, capable de supporter une masse de particules solides disposée dans la zone du lit fluidisé, des tuyères montées dans cette plaque et dépassant de la chambre de réaction afin qu'elles forment des canaux d'injection de gaz de fluidisation dans la chambre de réaction, et qu'un lit fluidisé des particules solides puisse se former dans la zone du lit fluidisé, certaines des tuyères au moins ayant des canaux de circulation de gaz placés à une dis- tance de la plaque d'introduction de gaz telle qu'une région contenant une quantité de particules solides statiques ou au repos, ayant une épaisseur notable, se forme entre les canaux distants et la plaque d'introduction de gaz, un collecteur d'eau sensiblement horizontal et destiné à contenir un fluide d'échange de chaleur, à l'extérieur de l'enveloppe, un collecteur de vapeur d'eau, sensible- ment horizontal et destiné à contenir du fluide d'échange de chaleur à l'extérieur de l'enveloppe et à un niveau supérieur à celui du collecteur d'eau, plusieurs serpen- tins d'échange de chaleur placés dans la chambre du ré- acteur, ces serpentins comprenant chacun un tronçon cen- tral sensiblement vertical et des tronçons supérieur et inférieur inclinés fixés aux extrémités du tronçon vertical, le tronçon supérieur traversant la paroi de l'enveloppe et reliant l'extrémité supérieure du tronçon vertical central du serpentin au collecteur de vapeur, le tronçon inférieur traversant la paroi de l'enveloppe et reliant l'extrémité inférieure du tronçon central vertical du serpentin au collecteur d'eau, le tronçon vertical central étant disposé dans la zone du lit fluidisé de la chambre du réacteur, le tronçon supérieur coudé se trouvant dans la zone de dégagement de la chambre du réacteur alors que le tronçon inférieur coudé se trouve dans la région des particules solides statiques ou au repos, placées sur la plaque d'introduction de gaz de fluidisation. Bien qu'on utilise les expressions "collecteur d'eau" et "collecteur de vapeur" dans le présent mémoire, il faut noter que des systèmes liquidevapeur d'un fluide autre que l'eau, tel que l'acétone ou le benzène, peuvent être utilisés dans des conditions convenables. La figure 1 représente un réacteur 10 à lit fluidisé ayant une enveloppe 12 qui contient des serpen- tins 30 d'échange de chaleur, disposés verticalement dans le réacteur 10, selon l'invention. L'enveloppe 12 com- prend en fait une enveloppe métallique externe 13 qui est revêtue intérieurement d'une couche de matière ré- fractaire 14 d'isolation. L'intérieur de l'enveloppe 12 est séparé en deux compartiments par la plaque 16 d'in- troduction de gaz de fluidisation, la chambre 22 de réac- tion étant délimitée au-dessus de cette plaque 16 et un boîte à vent plus petite 26 étant formée sous cette plaque 16. Plusieurs tuyères 18 disposées en rangées dépassent de la plaque 16 dans la chambre 22. Une série de poutres horizontales 17 d'acier, placées près de la partie su- périeure de la boite à vent 26 supporte la plaque 16. Un conduit 27 d'entrée de gaz est destiné à transmettre des gaz de fluidisation à la botte à vent 26, les gaz pénétrant dans la chambre 22 de réaction par les tuyères 18. Un conduit 25 donnant accès à la région de dégage- ment de la chambre 22, est destiné à évacuer les gaz de la chambre 22. Un conduit 28 traverse la paroi de la chambre 22 et permet le renouvellement de la matière du lit. Un brûleur 23 de préchauffage traverse la paroi de la chambre 22 et déclenche la combustion des particules solides fluidisées dans la chambre. Une masse de matière particulaire solide 21 est placée sur la plaque 16 d'in- troduction de gaz de fluidisation et, lorsque des gaz pénètrent dans la chambre 22 par les tuyères 18, elle forme un lit fluidisé expansé qui occupe la chambre 22 de réaction sur une hauteur importante au-dessus de la plaque 16. La masse de matière particulaire solide 21 placée dans la chambre 22 est aussi telle que, pendant le fonctionnement du réacteur, il se forme une région contenant de la matière particulaire solide statique 65 juste au-dessus de la plaque 16 et au-dessous des ori- fices ou canaux d'évacuation des tuyères 18 (comme re- présenté sur la figure 2). Un collecteur 39 de vapeur et un collecteur 37 d'eau sont disposés à l'extérieur de l'enveloppe 12. Ils ont une configuration annulaire entourant l'enveloppe 12. Plusieurs serpentins 30 de vapeur relient les collec- teurs 37 et 39 et ils pénètrent dans l'enveloppe 12 et passent dans la région 21 du lit fluidisé de la chambre 22. Il faut noter qu'il existe une circulation naturelle à partir du réservoir 45 de vapeur qui est aussi placée à l'extérieur de l'enveloppe 12, ce réservoir ayant un déversoir 48 destiné à transmettre l'eau du réservoir de vapeur au collecteur 37 d'eau qui, comme indiqué sur la figure 1, se trouve un peu au-dessous de la plaque 16 d'introduction de gaz de fluidisation. L'eau remonte dans les serpentins 30 et retire de la chaleur du lit fluidisé 21 si bien que l'eau qui se trouve dans les ser- pentins 30 s'évapore et forme de la vapeur d'eau qui quitte l'enveloppe 12 vers le collecteur 39. A partir de celui- ci, la vapeur est dirigée vers le réservoir 45, par des tubes 42. La vapeur du réservoir 45 est alors transmise au point d'utilisation (par un dispositif non représenté). Les serpentins d'échange de chaleur et la struc- ture des réacteurs qui leur est associée, sont représentés plus en détail sur la figure 2. On note que les serpentins reliant le collecteur 37 d'eau au collecteur 39 de vapeur peuvent être considérés comme formés de trois tron- çons: un tronçon vertical central 31 qui passe dans la région 21 du lit fluidisé de l'enveloppe 12, un tronçon inférieur coudé 33 qui relie le tronçon vertical 31 au collecteur 37 d'eau, et un tronçon supérieur coudé 32 qui relie le tronçon vertical 31 au collecteur 39 de vapeur. Des tuyères 18 pénètrent dans la chambre 22 du réacteur à une distance relativement grande afin que leurs canaux ou orifices d'évacuation se trouvent à un niveau qui coin- cide avec l'extrémité inférieure du tronçon vertical 31 des serpentins 30. Une couche 65 de matière solide inerte, par exemple de sable ou de morceaux réfractaires, peut être formée au-dessous du niveau des orifices des tuyères C'est dans cette couche de matière solide inerte 65 que le tronçon inférieur coudé 33 du serpentin 30 est disposé en partie. Ainsi, le coude 33a qui pourrait être particu- lièrement sensible à l'érosion dans le lit fluidisé se trouve dans la couche statique des matières solides 65 dans laquelle il n'y a pas d'érosion. La couche peu tassée de matière solide 65 permet aussi la dilatation des ser- pentins d'échange de chaleur, dans toutes les directions dans lesquelles elle peut avoir lieu. Le tronçon supérieur coudé 32 des serpentins se trouve au-dessus de la région du lit fluidisé dans l'espace de dégagement de la chambre 22, à un endroit o on n'observe pas les effets d'une fluidisation intense. Ainsi, les coudes supérieurs ne sont pas soumis aux condi- tions d'érosion du lit fluidisé 21 mais au contraire su- bissent des conditions bien moins sévères, dans la région de dégagement. Les coudes supérieurs 32 sont inclinés vers le haut depuis leur raccord au tronçon vertical central 31, vers leur point de raccordement au collecteur 39 de vapeur afin que la vapeur ne puisse pas former de bouchon dans les serpentins 30. Les serpentins 30 sont fixés à un capot 54 qui est monté de manière amovible, par exemple par boulonnage, sur l'enveloppe 13 du réacteur. Le capot lui-même comprend une plaque métallique 33 qui est recouverte d'une couche réfractaire 56. Plusieurs trous 57 de passage de tubes sont formés dans le capot 54 pour le logement des serpen- tins 30. Les parties des tubes 30 d'échange de chaleur qui traversent le réfractaire 56 des capots 54 sont en- veloppées d'une matière fibreuse 59 d'isolation telle que "Fiberfrax" fabriquée par the Carborundum Company dans le passage qui permet le raccordement aux collecteurs 39 et 37 de vapeur et d'eau. La matière à base de fibres isolantes permet un mouvement des serpentins lorsque ceux- ci subissent une dilatation thermique, sans contact direct avec la couche réfractaire 56. Un raccord 60 dilatable ou un manchon thermique 61 permet un certain déplacement longitudinal des serpentins 30 lorsqu'ils s'échauffent ou se refroidissent. Les raccords 60 supportent les con- traintes de flexion dues à la dilatation thermique des serpentins et réduisent au minimum les contraintes mécani- ques appliquées aux capots 54. Ces derniers, comme indiqué sur la figure 3, forment un tout qui peut être monté rela- tivement facilement dans la paroi de l'enveloppe 12 ou retiré facilement de celle-ci. La couche de matière par- ticulaire libre 65 protège les coudes inférieurs des ser- pentins 30 pendant leur fonctionnement, mais n'empêche pas l'enlèvement des capots 54 de l'enveloppe lorsqu'un tel enlèvement est nécessaire. Le montage est très simple, le capot étant boulonné sur la paroi de l'enveloppe 12 de la couche de matière particulaire 65 dans la région nécessaire pour le montage. Lorsque le capot 54 est bou- lonné sur la paroi de l'enveloppe 12, les matières solides particulaires peuvent être placées dans la partie qui comprend les coudes 33 des serpentins 30 et autour de ces coudes, jusqu'à la hauteur voulue. Il faut noter que,-dans les parties de la plaque d'introduction de gaz de fluidisation dans lesquelles les serpentins 30 ne pénètrent pas, une couche d'une ma- tière réfractaire 64 moulée ou préalablement formée peut être utilisée. Cependant, une couche de matière particu- laire réfractaire solide peut aussi être placée sur toute la surface de la plaque 16. Lors du fonctionnement, un combustible sous forme de particules solides est introduit par le conduit 28. Des gaz de fluidisation qui peuvent être. à tempéra- ture élevée, pénètrent pas un conduit 27 d'entrée. Le gaz circulant dans ce dernier passe à travers la plaque 16 et dans les tuyères 18 et quitte les canaux ou orifi- ces de celles-ci afin qu'il fluidise les particules soli- des qui se trouvent dans la chambre 22, dans la mesure o ces particules se trouvent au-dessus du niveau des orifices des tuyères. Au-dessous de ce niveau, il se forme une couche 65 de matière solide particulaire qui est sta- tique ou au repos et dans laquelle sont incorporés les coudes inférieurs 33 des serpentins 30. Les gaz de com- bustion formés dans le lit traversent celui-ci vers la région 22 de dégagement de la chambre 20 du réacteur. A partir de cette région 22, les gaz sont retirés par une cheminée 25 et sont ensuite traités et/ou déchargés. Le circuit eau-vapeur a déjà été décrit et il faut noter que la vapeur formée qui est retirée du réservoir 45 est transmise à un appareil (non représenté) qui permet la récupération de la chaleur, la création d'énergie d'un autre type ou qui a une autre fonction. Le réacteur à lit fluidisé selon l'invention est utilisé pour la combustion du charbon. Les gaz de combustion du charbon qui brûle contiennent souvent des quantités importantes de composés sulfurés qui rendent nocifs les gaz si bien que l'évacuation de ceux-ci est indésirable au point de vue de la protection de l'en- vironnement. L'appareil décrit précédemment réduit au minimum ce problème car il réduit la teneur en soufre des gaz de combustion. Cette réduction de la teneur en soufre des gaz évacués est obtenue par un réglage con- venable de la température dans le lit fluidisé, avec uti- lisation de matières solides convenables à cet effet. Un lit de calcaire peut être utilisé pour la réduction de la teneur en soufre des gaz évacués. Dans cette application, de l'air pénètre par le conduit 27 d'entrée. Le lit fluidisé est formé de calcaire ou dolo- mie ayant une dimension particulaire moyenne pouvant at- teindre 3,2 mm environ. Du charbon broyé pénètre dans le lit fluidisé par le conduit 28. Il brûle dans le lit fluidisé qui atteint une température d'environ 9000C. Le soufre du charbon réagit avec le calcaire ou la do- lomie du lit et le produit de la réaction, CaSO4, reste dans le lit (lors de l'utilisation de dolomie, il se forme aussi une certaine quantité de MgSO4). Le sulfate de cal- cium ainsi formé dans le lit peut être retiré par un con- duit d'évacuation (non représenté) alors que du calcaire neuf pénètre par le conduit 28. Il est intéressant de noter que le sulfate de calcium retiré du lit fluidisé peut être réchauffé dans un autre appareil (non représenté) afin qu'il dégage S02 gazeux au cours d'une opération initiale de fabrication d'acide sulfurique, la chaux for- mée pouvant être renvoyée dans le réacteur 10 pour être utilisée à nouveau. L'eau du collecteur 27 est sensiblement à la température de la vapeur d'eau, lorsqu'elle provient du réservoir 45 de vapeur. Lorsque l'eau circule dans un serpentin 30, la chaleur transmise au serpentin par le lit fluidisé provoque son passage instantané à l'état vapeur. La quantité de vapeur d'eau formée est égale à la quantité totale de chaleur transmise divisée par la chaleur latente de vaporisation. Les gaz de combustion provenant de la cheminée 25 sont pratiquement dépourvus de soufre et il n'est pas nécessaire que les particules de poussière soient retirées avant évacuation à l'atmosphère. Comme indiqué précédemment, l'agitation violente de la matière particulaire dans le lit fluidisé a un effet très important d'érosion sur tous les coudes des serpen- tins qui se trouvent dans le lit alors que les tronçons verticaux 31 sont moins soumis à une telle érosion. Ainsi, les coudes supérieurs 32 sont disposés bien au-dessus du lit fluidisé de matière solide et en dehors de ce lit afin que l'érosion soit minimale. Les coudes inférieurs 33, comme décrit précé- demment, sont enrobés dans la couche statique ou au repos de matière particulaire qui les protège. Comme les particules solides de cette couche sont pratiquement au repos et comme il n'y a pratiquement pas de circulation de gaz dans cette région qui se trouve bien au-dessous des orifices des tuyères 18, les coudes inférieurs 33 subissent une érosion faible ou nulle. Les orifices des tuyères doivent être orientés de manière que les gaz chauds ne viennent pas frapper les serpentins. En général, les orifices ou canaux des tuyères sont dirigés les uns vers les autres. -Ainsi, l'invention concerne un arrangement per- fectionné de serpentins d'échange de chaleur pour réacteur à lit fluidisé, permettant une augmentation de la durée de ces éléments. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'an titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Réacteur à lit fluidisé, caractérisé en ce qu'il comprend - une enveloppe (12) délimitant une chambre (20) de réaction, - la chambre de réaction ayant une zone (21) de formation d'un lit fluidisé à sa partie inférieure et une zone de dégagement (22) au-dessus de la zone du lit fluidisé, - une boite à vent (26) séparée de la chambre de réaction par une plaque (16) d'introduction de gaz de fluidisation, - cette plaque (16) pouvant supporter une masse de particules solides dans la zone du lit fluidisé, - des tuyères (18) montées dans la plaque et dépassant au-dessus de celle-ci dans la chambre de réac- tion afin de former des orifices d'injection de gaz de fluidisation dans la chambre de réaction, formant un lit fluidisé des matières solides particulaires dans la zone du lit fluidisé, - certaines des tuyères au moins ayant des ori- fices distants de la plaque d'introduction de gaz de ma- nière qu'une région (65) d'épaisseur notable soit formée par des particules solides statiques ou au repos entre les orifices distants d'introduction de gaz et la plaque d'introduction de gaz, - un collecteur sensiblement horizontal d'eau (37) destiné à la circulation d'un fluide d'échange de chaleur, à l'extérieur de l'enveloppe du réacteur, - un collecteur sensiblement horizontal de va- peur (39) destiné à la circulation d'un fluide d'échange de chaleur à l'extérieur de l'enveloppe du réacteur,et à un niveau supérieur à celui du collecteur d'eau, - plusieurs serpentins (30) d'échange de chaleur disposés dans la chambre du réacteur, - les serpentins (30) d'échange de chaleur ayant un tronçon central sensiblement vertical (31) et des tronçons coudés supérieur et inférieur (32, 33) fixés aux extrémités du tronçon central, - le tronçon supérieur (32) traversant la paroi de l'enveloppe et reliant l'extrémité supérieure du tron- çon central vertical du serpentin au collecteur de vapeur, - le tronçon coudé inférieur (33) traversant la paroi de l'enveloppe et reliant l'extrémité inférieure du tronçon vertical central du serpentin au collecteur d'eau, - le tronçon vertical central (31) étant placé dans la zone du lit fluidisé de la chambre du réacteur, - le tronçon coudé supérieur (32) étant placé dans la zone de dégagement (22) de la chambre du réacteur, et - le tronçon inférieur coudé (33) étant placé dans ladite région (65) contenant les particules solides statiques ou au repos, sur la plaque d'introduction de gaz de fluidisation. 2. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite région (65) de particules solides stati- ques ou au repos est formée près de la paroi externe de l'enveloppe (12) du réacteur. 3.- Réacteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une couche (64) d'une matière ré- fractaire céramique placée sur la plaque (16) d'intro- duction de gaz dans les régions qui ne sont pas occupées par ladite région de particules solides statiques ou au repos. 4. Réacteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tronçon supérieur coudé (32) du serpentin est incliné vers le haut depuis son raccord avec le tron- çon vertical central (31) et jusqu'à son raccord au col- lecteur de vapeur (39) afin que la vapeur ne puisse pas boucher le serpentin (30). 5. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs capots amovibles (54) fixés à la paroi de l'enveloppe (12) et dans chacun desquels plusieurs serpentins (30) sont fixés de manière étanche si bien que les capots et les serpentins associés peuvent être retirés de l'enveloppe (12) du réac- teur, lors d'une inspection et d'un entretien. 6. Réacteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les capots (54) sont revêtus d'une matière cé- ramique réfractaire (56), les tronçons coudés supérieur et inférieur (32, 33) traversant les capots auxquels ils sont fixés de manière étanche par enroulement d'une matière réfractaire fibreuse isolante (57) et par des manchons thermiques (61) ou des raccords métalliques (60) permet- tant une dilatation.