Brevet FR2519877A1 — publié le 19830722

L'invention concerne une grille d'amenée, à la partie basse d'une chambre de traitement, d'un fluide gazeux pour la fluidisation et/ou l'entraînement d'une matière particulaire amenée dans la chambre, ladite grille compor- tant un ensemble d'ouvertures constituées&par des cavités évasées vers le haut juxtaposées et Ia traversant de part en part, la base desdites cavités étant raccordée-à un disposi- tif d'alimentation en fluide gazeux L'invention concerne également un foyer de combustion à grille fixe inférieure de soufflage d'air de combustion par fluidisation et/ou entraînement Elle concerne, en outre, un procédé de traite- ment de matière particutaire dans une chambre de fluidisation et/ou d'entraînement comportant à sa partie inférieure des ouvertures d'introduction de fluide gazeux. Dans les brevets français nos 1 422 198 et 2 171 945 il a été décrit des grilles de fluidisation compor- tant des ouvertures constituées par des cavités évasées vers le haut juxtaposées alimentées séparément ou non De telles grilles permettent dé régler et d'assurer un débit régulier des gaz dans toute l'étendue de la zone fluidisée. On a déjà, par ailleurs, proposé d'utiliser des lits fluidisés comme foyers de combustion Leur principal avantage réside dans la possibilité de brûler des combusti- bles particulaires divers à très forte teneur en résidus non combustibles Par contre, ils n'ont qu'une souplesse de fonctionnement limitée. En effet, dans un foyer à lit fluidisé, on observe, à excès d'air constant, que la quantité de chaleur produite est pratiquement proportionnelle à la vitesse des gaz traversant le lit fluidisé Dans une chambre équipée d'une grille de fluidisation travaillant à une vitesse nominale des gaz de 2,5 W Vs, on peut espérer réduire la capacité de traitement, donc la productivité, dans un rapport de 1 à 2 (au maximum de 1 à 3) En revanche, pour cette même chambre, il est difficilement envisageable de doubler ou tri- pler la productivité nominale, en augmentant le débit d'air de fluidisation, sans créer une forte vitesse de passage de l'air au travers de la grille et provoquer de la sorte une perte de charge excessive (la perte de charge étant propor- tionnelle au carré de la vitesse des gaz) Il en résulterait des problèmes de tenue des matériaux, par accroissement de l'abrasion, d'étanchéité de la grille à haute température sous lé forte pression et risque de déformation de cette grille, de comportement irrégulier du lit fluidisé, de puissance des appareils de soufflage d'air. Les procédés de fluidisation et/ou entraînement développes actuellement permettent de travailler dans deux domines bien distincts: lits fluidisés denses avec vitesse des gaz de l à 3 m/s, lits fluidisés entraînés avec vitesse des gaz de 6 à 8 m/s Il n'existe pas actuellement de procédé de flui- disation permettant de passer simplement avec un mêime appareil d'un domaine de fluidisation à l'autre. Les installations industrielles envisagées jus- qu'à présent doivent en conséquence présenter une conception modulaire avec comme coronaire les inconvénients suivants multiplication des réacteurs et de leurs annexes, procédure contraignante de mise en route et d'arrêt de chaque module, variation de puissance discontinue. Un but de l'invention est de proposer une grille de fluidisation permettant de s'affranchir des inconvénients ci-dessus et par conséquent de réaliser des chambres de fluidisation possédant une grande souplesse de fonctionnement et permettant notamment de passer aisément, de façon continue, réversible et rapide, du domaine des lits fluidisés denses au domaine des lits fluidisés entraînés Un autre but de l'in- vention est de proposer de nouveaux foyers de combustion équipés d'une telle grille et présentant donc une très grande souplesse de fonctionnement. Ces buts sont atteints par une grille du type décrit au début, grâce au fait qu'elle comporte, en outre, un second ensemble de canaux complémentaires raccordés à un dispositif propre d'alimentation en fluide gazeux. De cette façon on obtient pratiquement à tra- vers une grille unique tous les régimes intermédiaires entre celui de fluidisation avec une vitesse de gaz de 1 à 3 m/s en n'alimentant en fluide gazeux que le premier ensemble d'ouvertures constituées par les cavités évasées vers le haut et celui d'entraînement avec une vitesse de gaz de 6 à 8 m/s en alimentant simultanément en fluide-gazeux les deux ensembles d'ouvertures. Il est conforme à l'invention que les canaux complémentaires traversent la grille en dehors des zones des cavités évasées vers le haut De cette façon on ne perturbe pas la bonne répartition du fluide gazeux en régime de fluidisation puisqu'on préserve ainsi la totalité de la section efficace de-la partie supérieure des cavités évasées vers le haut qui servent à créer et établir le régime de fluidisation. Il est avantageux que les canaux complémentaires soient des conduites débouchant sensiblement au-dessus du niveau supérieur des cavités évasées De cette façon, on maintient en dessous du débouché de ces conduites une zone qui, en cas de pulsage du fluide gazeux par les canaux complémentaires, reste soumise au régime de fluidisation par le fluide gazeux pulsé par les cavités évasées, un tel régime de fluidisation favorisant l'homogénéisation du mélange particules-fluide gazeux. Il est conforme à l'invention que la section totale des canaux complémentaires soit au moins égale à la section totale de la base des cavités évasées versle haut. De cette façon on peut assurer des vitesses d'entraînement de plusieurs fois supérieures à la vitesse de fluidisation, dans la pratique au moins deux à trois fois supérieures. Il est également conforme à l'invention que la section totale de la partie supérieure des cavités évasées vers le haut soit au moins égale à la section totale des canaux complémentaires De cette façon on assure la meilleure répartition possible du fluide gazeux de fluidisation sur la plus grande section de la chambre. Il est conforme à l'invention que les conduites constituant canaux complémentaires débouchent dans la chambre sous une coiffe /ou par des ouvertures latérales, de façon à y éviter l'introduction de particules pendant l'arrêt de pulsage de fluide gazeux par ces conduites. Les buts de l'invention sont également atteints dans un foyer de combustion à grille fixe inférieure de soufflage d'air de combustion par fluidisation et/ou entra I- nement, grâce au fait que la grille comporte deux ensembles d'ouvertures de passage d'air, respectivement un ensemble d'ouvertures constituées par des cavités évasées vers le haut juxtaposées et la traversant de part en part un ensemble d'ouvertures complémentaires constituant canaux la traversant de part en part. Il est conforme à l'invention que chaque ensemble d'ouvertures ait un dispositif propre d'alimentation en air de combustion. Il est également conforme à l'invention que les dispositifs d'alimentation en air de combustion soient com- mandables indépendamment l'un de l'autre, Les buts de l'invention sont encore atteints par un procédé de traitement de matière particulaire dans une chambre de fluidisation et/ou d'entraînement comportant à sa partie inférieure des ouvertures d'introduction d'un fluide gazeux, grâce au fait qu'on règle le débit de fluide gazeux en alimentant à volonté seulement une première partie ou la totalité des ouvertures. Il est conforme à l'invention qu'on alimente la première partie des ouvertures à un débit de fluide gazeux compris dans une fourchette correspondant sensiblement au fonctionnement en régime de fluidisation de la chambre, c'est-à-dire assurant le plus souvent une vitesse comprise entre 1 et 3 m/s pour le fluide s'écoulant de façon ascen- dante dans ladite chambre supposée vide de matière particu- laire. Il est également conforme à l'invention qu'on alimente la seconde partie des ouvertures à un débit complé- mentaire de celui de la première partie, tel que le débit total corresponde sensiblement au fonctionnement en régime intermédiaire et/ou d'entraînement de la chambre, c'est-à- -dire assurant le plus souvent une vitesse comprise entre 3 m/s et 8 m/s pour le fluide s'écoulant de façon ascendante dans ladite chambre supposée vide de matière-particulaire Selon l'invention, on règle le débit complémen- taire et/ou le débit total en fonction de la capacité de traitement actuellement désirée. D'autres caractéristiques et avantages ressorti- ront de la description, qui sera donnée ci-après uniquement à titre d'exemple, de modes de réalisation de l'invention. On se reportera à cet effet aux dessins annexés, dans les- quels: la figure 1 est la vue en plan d'une grille selon l'invention comportant trente sept pyramides d'introduction de fluide gazeux de fluidisation, la figure 2 est une vue en coupe verticale partielle selon II, à plus grande échelle, de la grille de la fig 1, la figure 3 est la vue en plan d'une autre grille selon l'invention comportant trois pyramides d'introduction de fluide gazeux de fluidisation, la figure 4 est une vue en coupe verticale selon IV de la grille de la fig 3, la figure 5 est une vue en coupe d'un foyer à combus- tible pulvérulent et/ou boueux équipé d'une grille de l'invention, la figure 6 représente des diagrammes de variation de débitde fines de charbon 0-l O mwde température et de débit d'air au cours d'essais réalisés avec un foyer muni de la grille conforme aux fig 3 et 4. La grille 1 représentée aux figures 1 et 2 est destinée à être installée à la partie basse d'une chambre de traitement 2 par exemple un foyer de combustion 3, comme représenté à la figure 5. La grille 1 comporte, aux figures 1 et 2, trente sept cavités tronconiques ou pyramidales 4 et, aux figures 3 et 4, trois cavités pyramidales 4, à évasement tourné vers le haut De telles cavités tronconiques ou pyramidales ont été décrites dans les brevets français précités 1 422 198 et 2 171 945 Chacune des cavités 4 est le débouché supérieur d'un canal 11 relié à sa base 12 à un pot 5 à siphon 6 raccordé à une vanne de réglage 7,et toutes sont ainsi reliées, chacune à travers la vanne 7, le siphon 6 et le pot 5, à une conduite de distribution principale 8 de fluide gazeux reliée à un ventilateur de pulsage non représenté aux figures 1 à 4 Les cavités tronconiques ou pyramidales 4 sont juxtaposées et laissent apparaître sur la partie supé- rieure de la grille 1 des nervures 9 plus ou moins larges. Ces nervures se rencontrent à des points triples de jonction , o, selon l'invention, la grille est traversée vertica- lement, par des conduites 13 constituant canaux complémen- taires 14, la base desdites conduites 13 étant raccordée à une conduite de distribution secondaire 15 de fluide gazeux reliée à un ventilateur de pulsage non représenté aux fig. 1 à 4 Les conduites 13 sont tubulaires, de section sensi- blement constante, et débouchent au-dessus du plan supérieur des cavités pyramidales 4 évasées vers le haut Leur partie supérieure 16 est obturée ou coiffée, mais elles débouchent dans la chambre 2 par des ouvertures latérales 17 de section totale chaque fois au plus égale à la section de la partie ascendante La section totale des conduites 13 est au moins égale à la section totale des bases 12 des canaux 11, tandis que la section totale de la partie supérieure des cavités 4 tronconiques ou pyramidales est de plusieurs fois supérieure à la section totale des conduites 13. Aux figures 3 et 4, on a représenté une variante à trois canaux 11 à cavités pyramidales 4 et à quatre con- duites tubulaires 13 raccordées à une conduite 15 A part le nombre de canaux occupant la surface de cette grille 2 des figures 3 et 4, la seule autre différence notable est l'absence de siphons 6 et de vannes 7, la base 12 des canaux 11 étant alors raccordée à une unique botte à vent 18. 19877 On voit que la grille de l'invention, si elle est alimentée seulement par les canaux 11 à ouverture évasée, permet de mettre toute la matière particulaire en régime de fluidisation, par l'alimentation, connue en soi, à une vitesse ascendante à 1 à 3 m/s du fluide gazeux dans la chambre 2, tout en réduisant considérablement les zones mortes nuisibles à une bonne exploitation, par exemple s'il y a risque d'agglutination de la matière particulaire On voit également que la grille de l'invention, si elle est alimentée à la fois par les deux ensembles de canaux 11 et 14, permet d'installer un régime d'entraînement de la matière particulaire au-dessus du niveau de débouché supé- rieur des canaux 14. La figure 5 montre l'utilisation de la grille de l'invention à un foyer à combustible solide pulvérisé ou boueux, la grille étant vue selon la même coupe qu'à la figure 4. La grille 1 des figures 3 et 4, mais avec siphon comme à la figure 2, est montée à la base d'une chambre de traitement 2 constituant foyer de combustion 3, dans lequel on peut amener du charbon en grains ou tout autre combustible pulvérulent ou boueux par un alimentateur 19 desservant une trémie 20, elle-même approvisionnée en combustible par un transporteur 21 Les canaux 11 sont alimentés par la conduite 8 en air primaire de combustion et de fluidisation grâce à un ventilateur 22 réglable en débit directement et/ou par une éventuelle vanne de réglage 23 La conduite 15 desser- vant les conduites tubulaires 13 est alimentée séparément en air primaire de combustion et d'entraînement par un ventila- teur 24 réglable en débit directement et/ou par une éventuel- le vanne de réglage 25 Le foyer comporte en outre des tuyères 26 d'injection d'air secondaire dans le foyer 3, lesdites tuyères étant alimentées par un ventilateur 27 et des vannes de réglage 28. Le foyer représenté à la figure 5 a été utilisé pour la combustion d'un lignite de Gardanne ayant les caractéristiques suivantes: Granulométrie: 85 % Humidité: 14 %; cendres: 35 %; matières volatiles: 37,9 %; pouvoir calorifique inférieur: 4130 kcal/kg. On a réalisé cinq essais correspondant a des conditions de fonctionnement indiquées dans le tableau ci-après. ( 1) Un minimum technique de 1 ordre de 10 à 30 m 3/h ordre de 10 à 30 in /h prélevé sur l'air total est introduit dans les canaux tubu- laires pour les protéger d'un échauffement dommageable et accessoirement pour y éviter l'entrée de particules solides. Le reste, c'est-à-dire la presque totalité de l'air, est alors envoyé dans les canaux pyramidaux. Essai 1 2 3 4 5 Température ( C) lit 950 950 950 950 950 Pression (mm CE) dessous grille 780 700 1285 990 1505 p grille 240 220 270 270 805 A p lit 460 445 355 420 415 Débit air (m 3 N/h) total 200 150 690 470 470 canaux pyramidaux ( 1) ( 1) 240 240 ( 1) canaux tubulaires ( 1) ( 1) 450 230 ( 1) (air complémentaire) Débit lignite sur sec (kg/h) 30 15 135 75 77 Vitesse de fluidi- sation (m/s) 1,8 1,3 6,1 4,2 4,2 Au cours de ces essais, la vitesse à vide des fumées de combustion a été successivement fixée à: 1,3; 1,8 et 4, 2 m/s avec le minimum technique d'air complémentaire dans les-canaux tubulaires 14; 4,2 et 6,1 m/s avec l'air des pyramides assurant une vitesse de fluidisation d'environ 2 m/s; l'air des canaux tubulaires 14 assurant le complément. Les résultats des essais ont montré que l'intro- duction d'air complémentaire par les canaux tubulaires 14 permet de maintenir une perte de charge de grille (A p grille) constante quelle que soit la vitesse de fluidisation. Ils ont également montré que le débit de lignite traité a pu varier de 15 kg/h à 135 kg/h, ce qui n'aurait pu être réalisé avec une installation de fluidisation clas- sique Par ailleurs on a constaté que le degré de combustion du lignite ( 100 pertes par imbrûlés en %) qui diminue quand la vitesse de fluidisation augmente reste quand même satisfaisant (supérieur à 94 %) pour des vitesses de fluidisation atteignant 6,1 m/s. Au cours d'une autre série d'essais, des modifi- cations rapides d'allure de marche du foyer ont été réalisées en faisant varier la vitesse à vide des fumées entre 1 m/s et 6 m/s, tout en maintenant constants tempéra- ture de combustion ( 9500 C), perte de charge du lit 1 _- 400 mm CE) et rapport charbon/air total. Les résultats de ces essais sont consignés sur les diagrammes de la figure 6 qu'il convient de considérer comme faisant partie de la présente description pour leur valeur informative La figure 6 représente trois diagrammes, ayant une échelle cmnune d'abscisses en heures Le diagramme 6 a représente en ordonnées en trait continu le débit instan- tané d'air primaire total exprimé en m N/h, en trait inter- rompu le débit instantané de la fraction (de fluidisation) de cet air introduit par les canaux pyramidaux et en pointillé le débit instantané d'air complémentaire introduit par les canaux tubulaires 14 Le diagramme 6 b représente la température e mesurée dans le lit, exprimée en O C Le dia- gramme 6 c représente le débit instantané D de lignite introduit dans le foyer (en kg/h). On distingue sur ces diagrammes huit périodes successives s'échelonnant sur un total de 8 h Ces périodes, qui correspondent chacune à un régime de fonctionnement impos 5 t, sont séparées sur les diagrammes par des traits verticaux correspondant aux instants de changement de régime. La période A correspond à la mise en route de l'installation. La période B correspond à une marche en régime d'entraînement à 6,1 m/s avec un débit de lignite de 131 kg/h. La période C correspond à une marche en régime de fluidisation à 1,8 m Is avec un débit de lignite de 34 kg/h. La période D correspond à une marche en régime de fluidisation à la faible allure de 1,3 m/s avec un débit de lignite de 16 kg/h. La période E correspond à une marche à vitesse limite de 1 m/s ayant conduit à un régime instable. La période F correspond à une marche en régime intermédiaire de 4,2 m/s avec un débit de lignite d'environ 77 kg/h. La période G correspond à une nouvelle marche à fort régime comme à la période B. La période H correspond à l'arrêt des essais. Après chaque variation d'allure, l'installation se retrouvait rapidement en équilibre, en général après une phase transitoire de l'ordre de 15 minutes liée aux réglages manuels de l'installation, sauf pour ce qui concerne la marche à 1 m/s au cours de laquelle un fonctionnement instable a été observé. Par conséquent les essais effectués ont permis d'assurer une fluidisation correcte avec des vitesses de fluidisation variant de 1,3 à 6,1 m/s; d'accroître la productivité du foyer de façon importante sane entraîner d'augmentation de la perte de charge de gril- le donc sans nécessiter une très forte pression de refoule- ment des ventilateurs de soufflage, ni des vitesses de gaz trop importantes au niveau de la grille; 19877 de brûler le lignite de Gardanne de façon satisfaisante, même avec une vitesse de fluidisation de 6 m/s;- de maintenir une perte de charge de lit stable dans la plage de vitesse expérimentée. Il va de soi que la grille de l'invention peut être de même appliquée à la combustion de tous types de combustibles et notamment de combustibles pauvres ou à fortes teneurs en impuretés tels que par exemple schistes houillers ou bitumineux, résidus pétroliers, ordures ménagères et déchets divers. Elle s'applique également à tous types de trai- tements en lit fluidisé dans lesquels il est souhaitable de faire varier la productivité de l'installation et le débit des matières traitées dans de larges limites. On peut aussi introduire des fumées recyclées, de la vapeur d'eau ou du charbon pulvérisé ou des cendres en transport pneumatique par les conduites de gaz complé- mentaire. On ne sortira pas du cadre de l'invention en y apportant toutes modifications de détail C'est ainsi qu'au lieu de disposer des conduites constituant canaux complémen- taires à tous les points triple de jonction (fig 1), on pourra se contenter d'en disposer à un certain nombre seulement de ces points De même, on pourra ne pas prévoir d'ouvertures latérales au sommet des conduites verticales, si on les laisse ouvertes en haut et si on les munit de coiffes, comme il est connu en soi. 19877 REVEND ICATIONS 1 Grille d'amenée, à la partie basse d'une chambre de traitement, d'un fluide gazeux pour la fluidi- sation et/ou l'entraînement d'une matière particulaire amenée dans la chambre, ladite grille comportant un ensemble de canaux constitués par des cavités évasées vers lé haut juxtaposées et la traversant de part en part, la base des dites cavités étant raccordée à un dispositif d'alimentation en fluide gazeux, caractérisée en ce qu'elle comporteen outreun second ensemble de canaux complémentaires raccordés à un dispositif propre d'alimentation en fluide gazeux. 2 Grille selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux complémentaires traversent la grille en dehors des zones des cavités évasées vers le haut. 3 Grille selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux complémentaires sont des conduites débouchant sensiblement au-dessus du niveau supérieur des cavités évasées. 4 Grille selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section totale des canaux complémentaires est au moins égale à la section totale de 'la base des cavités évasées vers le haut. Grille selon la revendication 4, caractérisée en ce que la section totale de la partie supérieure des cavités évasées vers le haut est au moins égale à la section totale des canaux complémentaires. 6 Grille selon la revendication 3, caractérisée en ce que les conduites débouchent dans la chambre par des ouvertures latérales ou sous coiffes. 7 Foyer de combustion à grille fixe inférieure de soufflage d'air de combustion par fluidisation et/ou entraînement, caractérisé en ce que la grille comporte deux ensembles d'ouvertures de passage d'air, respectivement: un ensemble d'ouvertures constituées par des cavités évasées vers le haut juxtaposées et la traversant de part en part, un ensemble d'ouvertures complémentaires constituant canaux la traversant de part en part. 8 Foyer de combustion selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque ensemble d'ouvertures a un dispositif propre d'alimentation en air de combustion. 9 Foyer de combustion selon la revendication 8, caractérisé en ce que les dispositifs d'alimentation en air de combustion sont commandables indépendamment l'un de l'autre. Procédé de traitement de matière partïculaire dans une chambre de fluidisation et/ou d'entraînement com- portant à sa partie inférieure des ouvertures d'introduction d'un fluide gazeux, caractérisé en ce qu'on règle le débit de fluide gazeux en alimentant à volonté seulement une première partie ou la totalité des ouvertures. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on alimente la première partie des ouvertures à un débit de fluide gazeux compris dans une fourchette corres- pondant sensiblement au fonctionnement en régime de fluidi- sation de la chambre. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on alimente la seconde partie des ouvertures à un débit complémentaire de celui de la première partie, tel que le débit total corresponde sensiblement au fonctionnement en régime intermédiaire et/ou d'entraînement de la chambre. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'on règle le débit complémentaire et/ou le débit total en fonction de la capacité de traitement actuellement désirée.