Brevet FR2505471A1 — publié le 19821112

Installation de combustion à lit fluidisé alimentée en air comprimé. La présente invention concerne une installation de combustion à lit fluidisé, comprenant une chaudière à lit fluidisé avec une canalisation d'alimentation pour l'air comprimé, une canalisation d'évacuation pour les gaz de combustion, et un circuit pour absorber une partie de la chaleur dégagée dans le lit fluidisé, et des moyens pour comprimer l'air. Une telle installation de combustion à lit fluidisé est pro- posée dans la Demande de Brevet néerlandais 8 000 404 Dans cette Demande, il est prévu un circuit intermédiaire qui, d'un côté, est disposé dans le lit fluidisé et, de l'autre côté, est couplé, par l'intermédiaire d'un échangeur thermi- que, à un circuit classique eau/vapeur Un fluide de refroi- dissement circule dans le circuit intermédiaire, lequel fluide n'a pas de point de transition liquide/gaz. Les installations de combustion à lit fluidisé présentent beaucoup d'intérêt car elles peuvent procurer une combustion optimale du charbon, cette combustion étant très bénéfique pour l'environnement, car le soufre libéré lors de la com- bustion peut, dans une large mesure, se lier à la chaux présente dans le lit. Pour que le soufre puisse se lier correctement, la tempéra- ture du lit fluidisé doit être maintenue à l'intérieur d'une plage de température limitée, comprise entre environ 7001 C et 8500 C A 8500 C, le soufre est lié de façon optimale, à des températures supérieures à 8500 C, les cendres contenues dans le charbon peuvent former des scories, tandis qu'en dessous de 7000 C, le rendement de la combustion et le degré de combinaison du soufre sont trop faibles. Le foyer à lit fluidisé est un récipient rempli principalement de cendres et de dolomies dans lequel le charbon est brûlé. Un compresseur monté dans la canalisation d'arrivée d'air au lit procure l'air de combustion comprimé à une température d'environ 2500 C Les gaz de combustion quittent le foyer à une température d'environ 8500 C Afin de réduire les pertes de gaz de combustion, celle-ci est effectuée avec un léger excès d'air ( 20 %) Comme cet excès d'air est insuffisant pour maintenir la température du lit à l'intérieur de la plage désirée, le lit doit être refroidi pour éviter que cette température atteigne des valeurs très élevées, de l'ordre de 18000 C Un refroidissement direct par un faisceau de tubes, à travers lesquels circule de l'eau, laquelle est transformée par la chaleur en vapeur, est très efficace mais présente l'inconvénient de ne permettre que de petites variations de la puissance de sortie Ce point sera éclairci ci-après La puissance transmise entre le lit fluidisé et le fluide de refroidissement est Q = a S A MT, relation dans laquelle Q = puissance transmise (W) a = coefficient de transmission thermique global(W/ 2 1 q S = surface installée de transmission thermique (m) Ai T = écart de température moyen logarithmique entre les deux fluides (K). Dans une chaudière conventionnelle, la puissance de sortie est commandée par l'adaptation simultanée de A m T et de " Cette adaptation est effectuée en faisant varier l'alimenta- tion en combustible et en air de combustion. Un inconvénient des installations à lit fluidisé est que a est pratiquement invariable et qu'on ne peut faire varier la température du lit que dans une plage limitée L'adapta- tion de A T dans des installations à lit fluidisé refroidies m par un système eau/vapeur en faisant varier la température du système eau/vapeur provoquerait de très grandes variations de la pression de vapeur, qui pourraient atteindre 150 bars, ce qui est inacceptable compte tenu des spécifications à exiger des matériaux de l'installation. Dans la Demande de Brevet néerlandais 8 000 404, il est pro- posé de procurer une commande du lit fluidisé sous charge partielle au moyen d'un circuit intermédiaire dans lequel circule un fluide de refroidissement, lequel, dans la plage de température d'utilisation, n'a pas de transition de phase, de sorte qu'on évite les problèmes inhérents aux installations refroidies par un système eau/vapeur Un inconvénient d'un tel circuit intermédiaire, outre la nécessité de prévoir un faisceau de tubes supplémentaires pour le circuit est le fait qu'un dispositif est nécessaire pour faire circuler-le fluide de refroidissement dans le circuit, dispositif qui exige une puissance relativement importante et qui réduit le ren- dement de l'installation à lit fluidisé. C'est un but de l'invention de procurer une installation de combustion à lit fluidisé dont le comportement sous charge partielle est bon, qui ne nécessite pas l'utilisation d'un circuit intermédiaire fermé; un autre but est de réduire la puissance nécessaire pour la circulation du fluide de re- froidissement. En conséquence, l'invention procure une chambre de combustion à lit fluidisé du type considéré, dans laquelle le circuit capable d'absorber la chaleur dans le lit fluidisé est un circuit dans lequel la vapeur est le fluide de refroidisse- ment. Lors du passage de la charge totale à la charge partielle, la puissance de sortie du lit fluidisé doit être diminuée. Ce résultat peut être atteint en augmentant la température moyenne du fluide de refroidissement arrivant dans le lit, car on peut de cette manière faire varier la valeur de Am T. En ralentissant une pompe, on diminue la quantité de vapeur arrivant au lit à des fins de refroidissement En conséquence, du fait qu'initialement la puissance de sortie du lit flui- disé est encore la même qu'à pleine charge, la vapeur en circulation quitte le circuit dans le lit à une température supérieure à la température à pleine charge Dans la condi- tion de charge partielle stationnaire, la température de la vapeur quittant le lit est supérieure à celle dans la situa- tion de pleine charge, tandis que la température de la vapeur arrivant au lit peut être choisie supérieure à celle dans la situation de pleine charge En conséquence, l'écart de tem- pérature moyen logarithmique entre le lit fluidisé et le fluide de refroidissement (vapeur) est inférieur à celui dans la situation de pleine charge La puissance de sortie du lit, et de ce fait la quantité de vapeur produite dimi- nuent, tandis que la température du lit ne diminue pas en dessous de la limite inférieure de 700 'C. L'utilisation de vapeur comme fluide de refroidissement dans le circuit présente un premier avantage, à savoir qu'à des températures non éloignées de la température de saturation, la chaleur spécifique de la vapeur associée à une pression de fonctionnement donnée est très élevée Cet effet est par- ticulièrement remarquable à des pressions supérieures à 20 bars, comme le montre le tableau des vapeurs Un autre avan- tage est que le diagramme température-puissance à pleine charge pour le faisceau de tubes dans le lit fluidisé est presque invariablement tel que la température d'arrivée de la vapeur est voisine de la température de saturation de la vapeur à la pression dans le système Pour la situation à pleine charge, ceci signifie qu'il suffit de faire circuler une quantité relativement faible de vapeur, que la capacité de la pompe à installer peut être relativement faible et que, pour un degré donné exigé au minimum de charge de la chaudière à lit fluidisé, la température maximale à attendre des parois des tubes de circulation de vapeur est considéra- blement plus faible, et il en résulte qu'on peut utiliser des matériaux moins coûteux L'invention sera bien comprise à la lecture de la description détaillée, donnée ci-après à titre d'exemple seulement, de quelques réalisations en liaison avec le dessin joint, sur lequel la figure 1 montre une installation de combustion à lit flui- disé comportant un circuit-de vapeur selon la présente in- vention; la figure 2 montre une première variante du circuit de va- peur; et la figure 3 montre une deuxième variante du circuit de vapeur. La figure 1 montre une chaudière à lit fluidisé 1 comprenant une canalisation d'arrivée 2 pour l'air et une canalisation d'évacuation 3 pour les gaz de combustion, et un compresseur 4 pour comprimer l'air Le compresseur 4 est relié à un dis- positif d'expansion 5, lequel est raccordé à la canalisation 3 et également à un générateur de courant alternatif 6 Le dispositif d'expansion 5 et le compresseur 4 forment une turbine à gaz, qui est entraînée par les gaz de combustion provenant du circuit du lit fluidisé et qui, outre qu'elle fournit la puissance nécessaire pour comprimer l'air, fournit également de la puissance électrique. Un échangeur thermique 7, formé par un faisceau de tubes, est disposé dans le lit fluidisé à l'intérieur de la chau- dière et, par une canalisation d'arrivée 8 et une canalisa- tion de sortie 9, est couplé à un circuit disposé à l'exté- rieur de la chaudière De la vapeur sous pression circule dans ce circuit et sert à absorber de la puissance dans le lit fluidisé et, de ce fait, à refroidir ce lit. Le circuit dans lequel circule la vapeur pour refroidir le lit fluidisé peut être constitué de diverses façons Les figures 1, 2 et 3 montrent quelques variantes de la réali- sation du circuit de refi Didissement Les parties identiques sont désignées sur les différentes figures par des repères identiques. Sur la figure 1, le circuit à l'extérieur du lit fluidisé comporte un évaporateur-mélangeur 10 et une pompe ou une soufflante 11 pour faire circuler la vapeur Un conduit 12 est raccordé à la canalisation de sortie 9 et sert à con- duire une petite proportion de la vapeur, par exemple un septième, à une turbine à vapeur servant à créer de l'éner- gie Cette turbine à vapeur est conçue pour travailler avec de la vapeur à une pression et à une température spécifique, par exemple 4001 C à 40 bars. Lorsque le lit fluidisé fonctionne à pleine chargela tempé- rature de la vapeur quittant le lit est, dans la présente réalisation, 4000 C à 40 bars, de sorte que cette vapeur peut alimenter directement la turbine à vapeur Si, cependant,le lit fluidisé fonctionne à charge partielle, la température de la vapeur quittant le lit s'élève rapidement de sorte qu'on doit prendre des mesures pour refroidir la vapeur arri- vant à la turbine à vapeur Dans ce but, on monte dans la disposition de la figure 1, un refroidisseur à injection connu en soi 13, qui est commandé par une vanne 14 Dans ce refroidisseur à injection, la vapeur surchauffée peut être refroidie à 400 'C et envoyée à la turbine à vapeur. La partie principale restante de la vapeur en circulation est envoyée par la canalisation 9 à un évaporateur mélan- geur 10, dans lequel elle est refroidie pour ramener la vapeur surchauffée à une température de par exemple 255 'C. la quantité de vapeur évaporée dans l'évaporateur-mélangeur est en principe égale à la quantité retirée du circuit de vapeur par la turbine à vapeur. Lorsque la vapeur a traversé l'évaporateur-mélangeur, cette vapeur, maintenant refroidie, est renvoyée par la soufflante 11 de la canalisation 8 dans les conduits dans le lit flui- disé On peut maintenant adapter la charge partielle du lit en réglant le débit de la soufflante 11 Lorsque celle-ci déplace une plus petite quantité de vapeur, le t Emps de sé- jour de la vapeur dans le lit fluidisé est plus long et elle absorbe davantage de chaleur, ce qui conduit à l'effet recher- ché, comme décrit ci-dessus. La figure 1 montre en tirets une réalisation du circuit dans lequel une portion de la vapeur chaude court-circuite l'éva- porateur-mélangeur 10 par l'intermédiaire d'une vanne de commande 15 et d'une unité de mélangeage 16, prévue pour mélanger la vapeur refroidie provenant de l'évaporateur- mélangeur et la vapeur chaude arrivant par la vanne de commande 15, et pour l'envoyer à la soufflante 11 Dans cette réalisation, il est possible de régler la température de la vapeur envoyée au lit fluidisé en fonction de la posi- tion de la vanne 15 Comme la température de la vapeur four- nie est plus élevée, l'écart de température moyen logarithmi- que entre la vapeur pénétrant dans l 'échangeur thermique dans le lit et la vapeur le quittant par la canalisation 9 est plus petit de sorte que la puissance de sortie est réduite et qu'on obtient un fonctionnement à charge partielle. La figure 2 montre une réalisation du circuit de refroidisse- ment, dans lequel le refroidisseur par injection 13 de la réalisation de la figure 1 est supprimé et remplacé par une unité de mélangeage plus simple 17, qui est moins cher à fabriquer L'unité de mélangeage 17 est interposée dans le circuit entre la canalisation 9 et le branchement 12 et est raccordée par une vanné de commande 15 au côté refoulement de la soufflante 11 Sous charge partielle, si la vapeur dans la canalisation 9 a une température supérieure à 400 'C, il est maintenant possible d'amener à l'unité de mélangeage une quantité de vapeur refroidie provenant de la soufflante par l'intermédiaire de la vanne de commande 18, grâce à quoi la vapeur envoyée à la turbine à vapeur par le conduit 12 peut être refroidie à la température dési- rée Naturellement, sous pleine charge, la vanne de commande 18 est complètement fermée, car, dans ce cas, la vapeur dans la canalisation 9 a déjà la température correcte. La figure 3 montre une réalisation préférée du circuit selon l'invention, dans laquelle la vapeur sortant de l'échangeur thermique dans le lit passe d'abord à travers un échangeur thermique 19 Ce dernier est couplé par l'intermédiaire de deux conduits 20 et 21 à la canalisation 8, qui renvoie la chaleur refroidie par un évaporateur-mélangeur 16 à l'échan- geur thermique dans le lit fluidisé Une vanne de commande 22 est montée dans la canalisation 8, entre les endroits de raccordement des conduits 20 et 21 à cette canalisation 8. En outre, le conduit 21 est couplé à la canalisation 8 par l'intermédiaire d'une unité de mélangeage 23. Sous pleine charge, la vanne 22 est complètement ouverte et aucune vapeur ne circule à travers les conduits 20 et 21. Si, toutefois, le lit fluidisé doit fonctionner sous charge partielle, la vanne de commande est anciennement fermée de sorte qu'une portion de la vapeur relativement froide passe par l'intermédiaire du conduit 21 à travers l'échangeur thermique, ou elle refroidit la vapeur dans la canalisation 9 à la température recherchée de 4000 C La vapeur renvoyée par le conduit 21 et l'unité de mélangeage 23 à la canalisation 8 est à une température supérieure à celle de la vapeur sor- tant de l'évaporateur-mélangeur de sorte que, en combinaison avec la température de sortie accrue de la vapeur du lit fluidisé, la valeur de AMT est à nouveau diminuée et le fonctionnement sous charge partielle est possible. Un problème soulevé par l'utilisation de turbines à gaz classiques dans des installations à lit fluidisé alimentées en air comprimé est que, du fait de la perte de charge élevée au travers du lit fluidisé et du petit excès d'air, la pres- sion de sortie du compresseur est plus élevée que la pression pour laquelle il a été conçu Il en résulte que le point de fonctionnement du compresseur doit être déplacé jusqu'à ce qui est appelé la limite de pompage, qui donne la valeur critique pour le rapport entre la pression de refoulement et la pression d'admission du compresseur Lorsqu'on déplace le point de fonctionnement au-delà de la limite de pompage, le compresseur commence à "pomper", ce qui, bien entendu, est à proscrire On peut éviter ce risque en évacuant une partie de l'air fourni par, par exemple, une soupape à étranglement. Toutefois, il en résulte une perte de rendement pour l'ins- tallation de combustion à lit fluidisé La figure 3 montre en tirets une solution intéressante, dans laquelle la pression excédentaire au refoulement du compresseur 4 peut être avanta- geusement utilisée Dans ce but, le refoulement du compres- seur est couplé à un dispositif d'expansion 24 qui sert à entraîner la soufflante 11 Ceci présente l'avantage, d'une part, qu'aucune perte de rendement ne résulte de l'étrangle- ment de l'excès d'air au refoulement du compresseur et, d'autre part, qu'aucune puissance supplémentaire n'est né- cessaire pour le fonctionnement de la soufflante En outre, en liaison avec les exigences de réduction du débit de la soufflante, il est plus souhaitable d'entraîner la soufflante par un moteur pneumatique plutôt que par un moteur électrique. Revendications. 1 Installation de combustion à lit fluidisé comprenant une chaudière à lit fluidisé ( 1) avec une canalisation d'arrivée ( 2) pour l'air sous pression, une canalisation d'évacuation ( 3) pour les gaz de combustion, un circuit pour absorber une partie de la chaleur dégagée dans le lit fluidisé, et des moyens ( 4) pour comprimer l'air, caractérisée en ce que le circuit capable d'absorber de la chaleur dans le lit fluidisé est un circuit dans lequel le fluide de refroidissement est de la vapeur. 2 Installation de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit dans le lit fluidisé se présente sous la forme d'un échangeur thermique ( 7) et est couplé, par l'intermédiaire d'une canalisation d'arrivée ( 8) et d'une canalisation de sortie ( 9), à une portion du circuit disposée à l'extérieur du lit fluidisé, celui-ci comportant un évaporateur-mélangeur ( 10) et une soufflante ( 11),circuit par l'intermédiaire duquel la canalisation de sortie est couplée à la canalisation d'arrivée, un conduit ( 12) étant en outre prévu pour envoyer dans une turbine une portion de la vapeur dans la canalisation de sortie. 3 Installation de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'on prévoit un refroidisseur à injection ( 13) réglé par une vanne de commande ( 14) dans le conduit ( 12) pour envoyer de la vapeur à la turbine. 4 Installation de combustion selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un conduit avec une vanne de commande ( 15), ce conduit étant couplé à une extrémité à la canalisation de sortie du cir- cuit du lit fluidisé et, à l'autre extrémité, à une unité de mélangeage ( 16) interposée entre la canalisation de sor- tie de l'évaporateur-mélangeur ( 10) et l'admission de la soufflante ( 11), une portion de la vapeur dans la canalisa- tion de sortie du circuit du lit fluidisé pourvant court- circuiter l'évaporateur-mélangeur par l'intermédiaire de cette vanne de commande. 5 Installation de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une unité de mélangeage ( 17) est raccordée par une première canalisation d'alimentation à la canalisation de sortie du circuit du lit fluidisé, par une sortie au conduit allant à l'évaporateur-mélangeur ( 10) et par une deuxième canalisation d'arrivée, par l'intermé- diaire d'une vanne de commande ( 18), au refoulement de la soufflante ( 11), grace à quoi la vapeur dans la canalisation de sortie peut être refroidie dans l'unité de mélangeage ( 17) avant d'être envoyée à la turbine. 6 Installation de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un échangeur thermique ( 19) est monté dans la canalisation de sortie du circuit du lit fluidisé entre la sortie du lit fluidisé et le branchement ( 12) con- duisant à la turbine, cet échangeur thermique étant couplé par deux conduits ( 20, 21) à la canalisation d'alimentation ( 8) du circuit du lit fluidisé, laquelle canalisation d'ali- mentation comporte une vanne de commande ( 22), la disposition étant telle que la vapeur par la canalisation de sortie cir- culant à travers l'échangeur thermique peut être refroidie plus ou moins en fonction de la position de la vanne de commande. 7 Installation de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la canali- sation d'arrivée d'air est équipée d'un branchement à travers lequel une portion de l'air comprimé peut être amenée à un dispositif d'expansion ( 24) prévu pour entraîner la souf- flante ( 11).