Brevet FR2499699A1 — publié le 19820813

La présente invention se rapporte d'une manière générale à une structure d'échangeur de chaleur et en particulier à un refroidisseur de gaz de synthèse dans une structure de chaudière de récupération des 5. chaleurs perdues. Alors que l'on utilise des structures très différentes de chaudière de récupération des chaleurs perdues dans des'domaines et des apylications très différents, le refroidissement des.gaz de synthèse chauds à partir d'un gazéificateur traitant des matières solides très divisées, par exemple du charbon en poudre, s'est effectué jusqu'à présent en utilisant une chau- dière à rayonnement qui élève la vapeur dans des tubes formant mur d'eau. Avec une telle chaudière, les scories solidifiées et le gaz de synthèse refroidi sont éliminés au fond d'une chaudière à rayonnement à écoulement vers le fond. Toutefois, dans les instal- lations industrielles, les dimensions des chaudières à rayonnement constituent un facteur de limitation lorsque l'on utilise en une seule fois une capacité de débit de gaz de synthèse chaud. En outre, comme jusqu'à présent, on utilisait des structures variées pour les chaudières de récupé- ration des chaleurs perdues pour faire passer la chaleur du débit des gaz chauds devant être refroidis, ces structures ne pouvaient pas être adaptées à des débits de gaz de synthèse à grande échelle. En outre, on connait une chaudière de récupération des chaleurs perdues de structure complète tel qu'indiqué dans le brevet U.S. 3,628,508 de Kummel. Il serait onéreux d'utiliser une telle structure et celle-ci ne devrait pas servir dans le cas des températures élevées ren- contrées au cours du refroidissement du gaz de synthèse. La présente invention rend possible la 2 2499699 fourniture d'une structure de refroidisseur de gaz de synthèse amélioré qui peut servir d'élément de chaudière de récupération des chaleurs perdueso On utilise un débit direct vers le bas pour le transfert de la chaleur rayonnante avec un- eversment du zens de progression des matières solides entraînées et leur extinction avant de re-tourne ?ie ns un espace annulaire qui conduit vers une sortie pour le gaz de synthèse refroidi. L'invention a p-ur objet un refroidisseur de gaz de synthèse et une chaudière de récupération des chaleurs perdues qui comprend une enveloppe externe verticale ayant une entrée axiale au sommet pour l'introduction du gaz de synthèse et des matières solides entraînées, et un amur - d'eau interne coaxial à ladite enveloppe et ayant des tubes parallèles verticaux pour l'échange de chaleur rayonnante à partir dudit gaz de synthèse et de ses matières solides entraînées. Ce refroidisseur comprend également une première paire de distributeurs permettant- de relier les tu;bes parallèles enseubie au sommet et au fond, et un mur d'eau externe coaxial à ladite enveloppe et formant un anneau dote d'un mur d'eau interne. Ledit mur d'eau externe comprend des tubes parallèles verticaux d'échange de chaleur à partir du gaz-de synthèse qui s'écoule en montant dans l'anneau. Ce refroidisseur comprend également une seconde paire de distributeurs pour relier entre eux les tubes parallèles de murs d'eau externes au sommet et au fond. Ledit mur d'eau externe est conçu à son sommet pour fermer ledit anneau et le sommet de la paroi d'eau interne à l'exception de l'entrée axiale. Le refroidisseur comprend également un volume d'eau au fond de ladite enveloppe pour récupérer et éteindre lesdites matières solides entraînées, et des premiers moyens à chicanes reliés au fond du mur d'eau externe et se prolongeant dans le volume d'eau pour entraîner le gaz de synthèse dans ledit anneau. Ce refroidisseur comprend également des seconds moyens de chicanes reliés au fond de la paroi d'eau interne pour accélérer le débit de gaz de synthèse et des matières solides entraînées vers la surface dudit volume d'eau. Ce refroidisseur comporte enfin une première sortie pour les gaz de synthèse reliée audit ' anneau près du sommet de l'enveloppe en traversant cette dernière. On décrit maintenant un exemple de réalisa- tion de l'invention donné à titre nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la Fig. 1 est une représentation schéma- tique longitudinale représentant partiellement en coupe un refroidisseur conforme à l'invention; et - la Fig. 2 est une vue en coupe trans- versale prise le long de la ligne Il-II de la Fig. 1 en regardant dans le sens des flèches. Dans la fabrication du gaz de synthèse à partir de charbon en poudre ou de matière semblable, il est nécessaire de refroidir le gaz de synthèse chaud et ce traitement doit être effectué dans un refroidisseur de gaz. La chaleur peut être éliminée dans une chaudière à rayonnement de façon à ce que la vapeur soit produite dans les tubes de murs d'eau de la structure de la chaudière. Les scories solidi- fiées à partir des matières solides entraînées qui accompagnent le gaz de synthèse chaud peuvent être éliminées au fond d'une telle chaudière rayonnante. Toutefois dans le cas d'une installation de type commercial, la quantité de débit de gaz de synthèse est telle que les dimensions d'une telle chaudière rayon- nante deviennent un facteur de limitation. Cependant, 4 2499699 conformément à l'invention et en utilisant un renver- sement du sens du débit avec plusieurs-structures. d'échange dé chaleur avec des murs d'eau, les di- mensions du refroidisseur deviennent acceptables. -I1 convient de remarquer que l'expression "mur d'eau" est bien connue de tous les spécialistes. Une structure de mur d'eau est telle qu'elle comporte des passages de retenue d'un fluide participant à l'échange de chaleur, cette structure ayant une sur- face étanche au gaz. Ainsi, la structure courante de mur d'eau est utilisée dans une installation cylindrique d'échange de chaleur et elle est constituée de tubes à eau parallèles comportant des ailettes ou étant. reliés entre eux autrement de façon A obtenir une surface cylindrique étanché au gaz. Les tubes sont habituellement reliés entre eux aux extrémités par l'intermédiaire de distributeurs circulaires fournissant des passages communs au fluide à l'entrée et à la sortie du groupe des tubes parallèles. On remarquera en se reportant aux Fig. 1 et 2 que le refroidisseur conforme à l'invention comprend une enveloppe externe il pourvue d'une entrée 12 placée axialement au sommet. Un mur d'eau interne 15 permet l'échange de chaleur rayonnante à partir du gaz-de synthèse et des matières-solides entraînées qui descendent en s'écoulant dans l'espace ouvert du milieu de l'enveloppe du refroidisseur. Comme indiqué ci-dessus par l'expression mur d'eau", on entend une structure connue qui dans ce cas comprend plusieurs tubes 15 pourvus d'ailettes de liaison 16 destinées à créer un mur étanché au gaz. Le mur d'eau -15 est constitué d'une paire de distributeurs 19 et 20 respectivement au sommet et au fond des tubes constituant le mur d'eau 15. Cette structure de type courant est utilisée de telle sorte que le fluide par exemple de l'eau, dans les tubes du mur d'eau 15 peut être mis en circulation et former de la vapeur. Il s'agit d'une chaudière à échange de chaleur du type à rayonnement. Il existe un autre mur d'eau externe 23 qui est coaxial au mur d'eau interne 15 et à l'en- veloppe 11 et qui constitue un anneau 24 entre les deux murs d'eau 15 et 23. Il existe également des distributeurs 27 et 28 respectivement au sommet et au fond du mur d'eau externe 23. Il se trouve ainsi constitué un trajet de circulation du fluide recevant la chaleur de transfert à l'intérieur des tubes 23 De la même façon que ce qui se produit dans le cas du mur d'eau interne 15, le mur d'eau externe 23 est pourvu d'ailettes 31 qui sont reliées entre elles entre les tubes pour créer une surface étanche au gaz. Le mur d'eau 23 prévu au sommet a une coupe 34 en tronc de cône. L'extrémité supérieure de l'anneau 24 se trouve ainsi fermée puisqu'il existe un élément de liaison 35 qui relie le sommet du distributeur supé- rieur 18 du mur d'eau interne 15 aux surfaces infé- rieures de la section en tronc de cône 34 du mur d'eau externe 23. Au fond de l'enveloppe 11 se trouve un volume d'eau 38 qui est prévu pour recevoir et éteindre les matières solides entraînées qui accompagnent le gaz de synthèse lors de sa descente par écoulement axial vers le centre du refroidisseur. On comprend S0 que l'eau est retenue dans l'enveloppe 11 par une structure telle qu'une trémie verrouillable T comme indiqué sur la Fig. 1. Une certaine circulation d'eau vers le volume d'eau 38 ou à l'extérieur de ce dernier peut être maintenue par. une entrée 39 et une sortie 40 qui sont représentées suneatiquement. Une chicane 43 est reliée à lextrémit inferieure du mur d'eau externe 23 par un agencement convenable, palr exemple en étant relié directement au lord du fond du distributeur 28. Cette chicane 43 se prolonge vers le bas a partir du fond du mur d'eau 2-1 vers l'anneau 24. Son rôle est de rassembler le débit de gaz de synthèse quittant le fond du mur d'eau interne 15 et de l'envoyer vers l'anneau 24. Il existe également une autre chicane 44 qui est reliée à l'extrémité du fond du mur d'eau interne 15. Cette liaison peut être effectuée de toute manière conve- nable, par exemple en étant reliée directement au distributeur 20. Cette chicane 44 est un tronc de cône pour accélérer le débit du gaz de synthèse au fur et à mesure qu'il quitte l'espace interne du mur d'eau 15. Cette chicane dirige également le éhit vers la surface du volume d'eau 38. A proximité du sommet de l'anneau 24 se trouve un conduit de sortie 47 qui se prolonge dans l'anneau près de son sommet. Ce conduit s'avance dans l'enveloppe 11 et constitue la sortie du gaz de synthèse qui a été refroidi par les deux parties du trajet d'écoulement. Un petit distributeur 48 est également prévu, il entoure l'extrémité interne de la sortie 47 et agit de façon à rendre étanche au gaz la liaison tout en maintenant l'anneau 24 parfai- tement étanche au gaz. Sur la Fig. 1, on peut observer schématique- ment plusieurs souffleurs de suie 51. Il s'agit d'élé- ments de type courant qui sont utilisés pour assurer la propreté des surfaces de transfert de chaleur des murs d'eau 15 et 23. On notera que le milieu de soufflage peut être de la vapeur ou de l'azote ou du gaz de synthèse propre remis en circulation. On peut remarquer qu'au besoin on peut utiliser une seconde sortie 52 représentée en trait interrompu sur la Fig. 1. Cette sortie 52 est prati- quement identique a la sortie 47. Les spécialistes comprendront que les chicanes 43 et 44 doivent être refroidies de quelque manière (non représentée) pour pouvoir résister aux températures auxquelles elles sont soumises. Par exemple, la chicane 44 peut être constituée par un prolongement conique du mur d'eau 15. En outre, la chicane 43 peut prendre une simple forme dans le prolongement du mur d'eau 23 en descendant vers l'eau 38 puisqu'elle n'a pas besoin nécessairement d'avoir la forme conique illustrée. On comprendra en outre qu'un refroidisseur quelconque est nécessaire à la'partie de col interne de la sortie 47. Il en est de même également pour la sortie 52 lorsque celle-ci existe. Il est bien entendu évident pour les spécia- listes qu'un refroidisseur conforme a l'invention peut avoir plus de passages que ceux qui ont été décrits et illustrés ci-dessus. On peut également utiliser plusieurs tubes de transfert de chaleur complémentaires (non représentés) montés dans des endroits convenables a l'intérieur du refroidisseur, par exemple près de l'extrémité inférieure de l'anneau 44. De tels tubes complémentaires peuvent servir à surchauffer la vapeur si cela est nécessaire. Il est bien entendu que de nombreuses modifications et changements pourront être apportés aux modes de réalisation décrits ci-dessus sans se départir pour autant ni du cadre ni de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Refroidisseur de gaz de synthèse et chau- dière de récupération des chaleurs perdues, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe externe (11) com- prenant une entrée (12) pour le gaz de synthèse et les matières solides qu'il entraîne à une extrémité de ladite enveloppe, un mur d'eau interne (15) pour l'échange de chaleur par rayonnement à partir du gaz de synthèse vers un fluide dans le mur d'eau, un mur d'eau externe (23) à l'intérieur de l'enveloppe et formant un anneau (24) avec ledit mur d'eau interne, une sortie (47) pour le gaz de synthèse à partir de l'anneau, et des moyens (34) pour provoquer l'écou- lement du gaz de synthèse le long du mur d'eau interne puis dans l'anneau vers ladite sortie. 2. Refroidisseur de gaz de synthèse selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de provoquer l'écoulement de gaz de synthèse comprend des moyens de liaison (34) entre les murs d'eau interne et externe adjacents à ladite extrémité fermant l'anneau (24), et la sortie (47) étant placée adjacente à ladite extrémité fermée de l'anneau. 3. Refroidisseur de gaz de synthèse selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens liquides (38) à l'autre extrémité de l'en- veloppe pour éteindre les matières solides entraînées. 4. Refroidisseur de gaz de synthèse selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens de chicane (43) reliés au mur d'eau externe (23) adjacent à l'autre extrémité de l'enveloppe (11) pour diriger le débit du gaz vers l'anneau (24). 5. Refroidisseur de gaz de synthèse selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des seconds moyens de chicane (44) reliés au mur d'eau interne (15) pour diriger le gaz et les matières solides entraînées vers les moyens liquides (38) d'extinction. 6. Refroidisseur de gaz de synthèse selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens liquides d'extinction constitués d'un volume d'eau (38). f 7. Refroidisseur de gaz de synthèse selon la revendication 6, caractérisé en ce que les premiers moyens de chicane (43) s'étendent dans le volume d'eau (38). 8. Refroidisseur de gaz de synthèse selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens de chicane (44) ont une forme permettant d'accélérer le débit du gaz et des matières solides entraînées dans le volume d'eau et vers sa surface pour changer le sens du débit pour séparer les solides entraînés par extinction. 9. Refroidisseur de synthèse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs souffleurs de suie (51) adjacents aux murs d'eau interne et externe pour nettoyer leur surface de transfert de chaleur. 10. Refroidisseur de gaz de synthèse selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde sortie pour le gaz de synthèse en provenance de l'enveloppe à son extré- mité.