Brevet FR2512925A1 — publié le 19830318

La présente invention a trait à un échangeur de chaleur à lit fluidisé et elle vise plus particulièrement un tel appareil comportant un dispositif perfectionné de plaque de distribution d'air, refroidi par un liquide et destiné à supporter la matière divisée à fluidiser. L'utilisation de lits fludisés est reconnue depuis longtemps comme une manière avantageuse de génération de chaleur. Dans une telle disposition l'on fait passer l'air à travers un lit de particules d'une matière divisée qui d'ordinaire renferme un mélange d'un composant inerte, d'un combustible, tel que du charbon bitumineux à forte teneur en soufre, et d'un agent d'absorption du soufre dégagé par la combustion de ce charbon. Du fait de l'air qui le traverse, le lit se comporte comme un liquide en ébullition, ce qui favorise la combustion. Les avantages essentiels d'un pareil système sont notamment constitués par un taux de transfert de chaleur relativement élevé, une température du lit susbtantiellement uniforme, une combustion s'effectuant à une température relativement basse, une grande facilité de manipulation des combustibles, un abaissement de la corrosion et de l'encrassement de la chaudière et une diminution des dimensions de celle-ci. Dans le procédé de combustion à lit fluidise > pour assurer que l'agent d'absorption retienne bien le soufre qui se dégage à partir du combustible, il faut maintenir la température du lit à une valeur relativement élevée (normalement 1500 à 15500F, soit environ 815 à 8450C). Cela exige que la plaque qui supporte le lit soit établie en un matériau coûteux, tel que l'acier inoxydable, susceptible de résister à de pareilles températures.Toutefois, même lorsqu'on utilise un matériau de ce genre, les fortes différences de dilatation et les gradients de température qui apparaissent sur la surface de la plaque réduisent considérablement la durée de vie utile de celle-ci. I1 en résulte qu'il faut fréquemment la remplacer, ce qui entrain des frais élevés aussi bien en matière qu'en main d'oeuvre, et aboutit à des temps d'arrêt considérables. En outre, dans les installations utilisant des parois refroidies à l'eau, la différence de température entre ces dernières et la plaque qui supporte le lit entrasse des problèmes de liaison étanche vers les bords de la plaque. La présente invention a donc pour objet de permettre d'établir un échangeur de chaleur à lit fluidisé dans lequel le dispositif de plaque de support du lit peut être fait à partir d'un métal faiblement allié et qui pourtant bénéficie d'une durée de vie utile accrue quand on la compare à celle des plaques établies en un matériau semblable, voire plus coûteux, qu'on utilisait dans la technique antérieure pour de tels échangeurs. L'invention vise encore - à réaliser un échangeur de chaleur à lit fluidisé du type précité dans lequel le dispositif de plaque de support du lit est fait d'un certain nombre de tubes à travers lesquels on fait passer un liquide de refroidissement pour en abaisser la température ; - à établir un tel échangeur de façon qu'il comporte un système de distribution d'air qui isole le dispositif de plaque-support par rapport aux températures élevées règnant dans le lit ;; - à réaliser un échangeur du genre en question dans lequel il soit ménagé une zone stagnante de matière divisée immédiatement au dessus du dispositif de plaque-support pour l'isoler vis a vis de ces températures - à établir un tel échangeur dans lequel l'air de fludisation du lit soit introduit dans une zone qui s'étend au dessus du plan de la plaque de support du lit de façon à ménager un espace isolant sur celle-ci. Pour parvenir à ce qui précède, ainsi que pour atteindre d'autres objets, le système suivant l'invention comprend un dispositif de plaque propre à supporter un lit de matière divisée, et qui est fait d'un certain nombre de tubes dans lesquels on fait passer un fluide refroi disseur. Ces tubes sont reliés par des ailettes qui comportent des perforations traversantes destinées à recevoir des distributeurs d'air creux de forme allongée qui s'étendent perpendiculairement à la plaque. Chacun de ces distributeurs comporte à l'une de ses extrémités une entrée propre à recevoir l'air et à l'autre une sortie qui déverse cet air en direction du haut dans le lit en vue de fluidiser la matière de celui-ci. Ces distributeurs se prolongent à partir de la plaque sur une hauteur suffisante pour isoler celle-ci des températures relativement élevées quirègnent dans le lit. La 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 coupe verticale d'un échangeur de chaleur à lit fluidisé suivant l'invention. Fig. 2 est une coupe partielle de détail à plus grande échelle montrant une partie du dispositif de plaque de support du lit de cet échangeur. Fig. 3 est une vue en plan partielle correspondant à fig. 1 mais à une échelle un peu plus grande. Fig. 4 à 8 sont des coupes à grande échelle montrant d'autres formes d'exécution des distributeurs d'air utilisés dans l'échangeur de fig. 1. Si l'on se réfère à fig. 1, la référence générale 10 y désigne une enceinte qui constitue la majeure partie d'un échangeur de chaleur à lit fluidisé susceptible de se présenter sous la forme d'une chaudière, d'un four de combustion ou de tout autre genre d'appareil. L'enceinte 10 est constituée par une paroi antérieure 12, une paroi postérieure 14 et deux parois latérales dont l'une est désignée par la référence 16. Chacune de ces parois est faite de tubes verticaux 18 disposés à un certain écartement, parallèlement les uns aux autres et reliés par des ailettes allongées 20 s'étendant sur toute leur longueur, ces ailettes se raccordant aux tubes en des points diamétralement opposés de leur périphérie, à la façon classique.Pour la commodité du dessin l'on n'a pas représenté la partie haute de l'enceinte 10, étant entendu qu'elle comprend une zone de convexion, un toit et une sortie permettant aux gaz de combustion de s'évacuer, là encore 9 la façon usuelle. A l'intérieur de l'enceinte 10 se trouve un lit de matière divisée désigné par la référence générale 22, ce lit reposant sur un dispositif de plaque de support 24 qui s'étend horizontalement dans le bas de l'enceinte. Le lit 22 peut consister en un mélange de particules séparées d'une matière inerte, d'un combustible tel qu'un charbon bitumeux, et d'un agent d'absorption du soufre dégagé par la combustion de ce combustible. Immédiatement au dessous du dispositif de plaque-support 24 il est prévu une chambre 26 destinée à l'air et qui communique avec une entrée 28 ménagée dans un prolongement inférieur de la paroi postérieure 14, en vue de permettre la distribution de cet air à partir d'une source extérieure (non-représentée). Deux vannes papillons 30 sont montées dans l'entrée 28 de façon à pouvoir tourner autour de leurs axes en réponse à des commandes extérieures (également non représentées) en vue de faire varier la section d'ouverture effective de ladite entrée et a contrôler ainsi le débit qui pénètre dans la chambre 26. Comme ces vannes 30 sont de construction classique, on ne les décrira pas avec plus de détails. A travers la paroi antérieure 12 et immédiatement au dessus du dispositif de plaque 24 est monté un brûleur 32 destiné à assurer l'allumage initial du lit 22 lors de sa mise en marche. Plusieurs organes d'alimentation 34, 36, et 38 sont agencés au dessus du lit de façon à traverser les parois latérales 16. Ils reçoivent à partir de canalisations d'entrée ou analogues, du charbon pulvérisé en particules relativement fines et le déversent sur la surface supérieure du lit 22 à la manière habituelle. On comprend que ces organes d'alimentation 34, 36 et 38 pourraient se trouver à un niveau inférieur à celui du haut du lit 22, et qu'on pourrait en prévoir d'autres identiques à ceux figurés dans la paroi antérieure 12, dans la paroi postérieure 14 et dans l'autre paroi latérale 16, ou dans plusieurs a la fois de ces diverses parois. Fig. 2 et 3 montrent les détails du dispositif de plaque 24. Celui-ci consiste en un certain nombre de tubes parallèles 40, convenablement espacés les uns des autres- et qui s'étendent horizontalement entre les parois 12, 14 et 16. Pour que ces tubes réalisent un ensemble unique, on les a reliés par des plaquettes ou ailettes 42 qui intéressent toute leur longueur et qui se raccordent à eux en des points diamétralement opposés de leur périphérie. Comme montré fig. 2, des plaquettes porteuses 44 s'étendent à partir des ailettes 20 constitutives de la paroi arrière 14 et se relient à l'ailette terminale du dispositif de plaque porte-lit 24, étant entendu qu'une disposition semblable est utilisée en liaison avecles parois 12 et 14 pour supporter ce dispositif 24 à la position représentée.Les liaisons entre les ailettes 42 et les tubes 40, entre les ailettes terminales 42 et les plaquettes porteuses 44, ainsi qu'entre ces plaquettes et les ailettes 20, peuvent être réalisées de toute manière appropriée, par exemple par des cordons de soudure, comme représenté, ou suivant toute autre technique telle que calage, repliage, brasage, goupillage, épinglage, etc... I1 est prévu un certain nombre de distributeurs d'air 50 s'étendant à travers les ailettes 42. Ces distributeurs se présentent sous la forme d'organes tubulaires verticaux soudés auxdites ailettes 42 et qui dépassent au dessus de celles-ci sur une hauteur prédéterminée à l'intérieur du lit 22 de matière divisée. Les extrémités inférieures des distributeurs 50, tels qu'on les voit en fig. 2, ne dépassent que légèrement au dessous de la face inférieure des ailettes 42 et reçoivent ainsi l'air de la chambre 26.Après titre écoulé sur la longueur des distributeurs, cet air sort de ceux-ci et passe dans le lit fluidisé à la hauteur prédéterminée précitée au dessus du dispositif 24. I1 en résulte qu'il se forme une couche dormante de matière divisée entre la face supérieure de ce dispositif 24 et l'extrémité correspondante des distributeurs 50, cela pour des raisons qu'on exposera plus loin. Si l'on rev-ient à fig. 1, on y trouve deux collecteurs 46 qui communiquent avec les tubes 18 constituant la paroi antérieure 12 et celle postérieure 14, étant entendu que des collecteurs similaires sont prévus pour être reliés avec les extrémités supérieures des parois tubulaires précitées ainsi qu'avec les deux extrémités des parois latérales 16. I1 en résulte qu'un fluide à chauffer peut être amené à circuler successivement ou simultanément dans les parois 12, 14 et 16 pour recueillir la chaleur dégagée par le lit fluidisé à la façon classique. Il est encore prévu un collecteur 48 au voisinage de chaque paroi latérale 16 pour communiquer avec les extrémités correspondantes des tubes 40 du dispositif de plaque 24 en vue d'assurer la circulation d'un fluide de refroidissement à travers ceux-ci.On comprend que le fluide ainsi destiné aux collecteurs 48 peut provenir ou bien de la même source que celui qui circule dans les parois 12, 14 et 16, ou bien d'une source séparée. Au cours du fonctionnement, les vannes associées à l'entrée d'air 28 sont ouvertes et l'air est amené à travers la chambre 26 vers le dispositif de plaque 24 pour pénétrer dans les extrémités d'entrée des distributeurs 50. Il s'écoule alors vers le haut à travers ceux-ci, sort par leurs extrémités supérieures et arrive dans le lit 22 à un niveau situé au dessus de celui du dispositif de plaque 24. Ainsi la partie de ce lit 22 qui s'étend immédiatement au dessus des extrémités de sortie des distributeurs 50 se trouve fluidisée tandis que la partie inférieure située entre ces extrémités et le dispositif 24 reste dormante ou stagnante. On allume alors le brûleur 32 pour chauffer la matière constitutive du lit jusqu'à ce que sa tempérture atteigne un niveau prédéterminé et à ce moment l'on fait tomber du combustible divisé à partir des organes d'alimentation 34, 36 et 38 sur la surface du lit 22 dans la mesure nécessaire pour assurer un renouvellement continu de ce combustible à mesure qu'il brûle. Après que le lit 22 ait été fluidisé et ait atteint une température élevée prédéterminée, conformément à ce qui précède, on arrête le brûleur 32 cependant que les organes 34, 36 et 38 continuent à distribuer du combustible divisé sur la surface supérieure du lit en fonction de débits qu'on a prédéterminés. I1 résulte des explications précédentes que la couche dormante de matière divisée qui s'étend entre les extrémités supérieures 50 et la face supérieure du dispositif de plaque 24 agit à la façon d'un isolant vis à vis de ce dernier. Les déchets, principalement sous forme de cendres, peuvent être évacués à partir d'une sortie (non représentée) qui part de ce dispositif 24 en traversant l'une des parois 12, 14 ou 16. Le fluide refroidisseur, préférablement constitué par de l'eau, circule entre les collecteurs 48 en traversant les tubes 40 du dispositif 24 en vue d'abaisser la température de ceux-ci, tandis que le fluide à chauffer passe simultanément ou successivement dans les tubes 18 qui constituent les parois 12, 14 et 16, de façon à recueillir la chaleur dégagée par le lit fluidisé, avant d'arriver à un appareil extérieur en vue d'autres processus. Grâce à la disposition originale de la présente invention le dispositif de plaque 24, y compris les tubes 40, les ailettes 42 et les distributeurs 50, peut être fabriqué à partir d'un métal faiblement allié, peu coûteux, et bénéficier cependant d'une durée de vie utile relativement longue par comparaison aux plaques faites en un matériau réfractaire plus coûteux, qui ne sont pas isolées, ni refroidies. Fig. 4 à 7 montrent chacune une autre forme d'exécution d'un distributeur d'air susceptible de s'utiliser dans le dispositif de plaque 24. En fig. 4 la référence 54 désigne untel distributeur constitué par un tube rectiligne 56 monté dans une perforation 52 d'une ailette 42, et par un tube horizontal de dérivation 58 disposé en travers de l'extrémité supérieure du précédent avec laquelle il communique. Cette disposition aboutit à une injection horizontale de l'air dans le lit 22 à partir des extrémités du tube 58 suivant deux directions opposées. La forme de réalisation de fig. 5 est semblable à celle de fig. 4, mais il s'agit ici d'un distributeur d'une seule pièce 60 en forme de T comprenant une branche verticale 62 et une branche horizontale 64 qui communique avec la précédente. Le fonctionnement reste le même que pour la forme d'exécution de fig. 4. Le distributeur 66 de fig. 6 est semblable à celui de fig. 5. On y trouve un tube vertical 68 et une partie ou tête 70 en forme de pointe de flèche, faite d'une seule pièce avec le tube. Cette tête reçoit l'air du tube 68 et il l'évacue suivant deux directions opposées, mais légèrement inclinées en direction du bas. Dans la forme d'exécution suivant fig. 7, il est prévu un distributeur 72 comportant un tube vertical 74 à l'extrémité supérieure duquel un tube incurvé 76 se raccorde de façon à réaliser une disposition en T à double coude qui souffle l'air d'une manière semblable à celle de la forme d'exécution de fig. 6. Le distributeur 78 de la forme de réalisation de fig. 8 consiste en un tube unique 80, fait d'une seule pièce et dont l'extrémité supérieure est recourbée un peu au delà de I'horizontale, légèrement vers le bas. Cela aboutit à un soufflage d'air légèrement descendant par rapport à un plan horizontal. Ce type de distributeur est capable d'impartir au lit un mouvement de circulation et l'on peut l'établir avec des caractéristiques directionnelles pour étaler les particules en travers du lit ou pour déplacer les plus grosses de celles-ci ainsi que les cendres. I1 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. C'est ainsi qu'on pourrait prévoir des matières isolantes ou réfractaires à la place de la matière divisée dormante, dans la zone qui s'étend entre le plan défini par les sorties des distributeurs 50 et la face supérieure du dispositif de plaque 24. Dans ce cas les distributeurs 50 agiraient comme organes d'ancrage de la couche de matière isolante ou réfractaire ainsi disposée. REVE NDI CAT IONS 1. Echangeur de chaleur à lit fluidisé, du genre comportant un dispositif de plaque perforée s'étendant dans un plan subtantiellement horizontal pour supporter le lit de matière divisée qui renferme le combustible et pour lui amener l'air de fluidisation et de combustion, caractérisé en ce que ce dispositif de plaque (24) comprend en combinaison - des tubes (40) disposés à un certain écartement-parallèle- ment les uns aux autres et à travers lesquels passe un fluide de refroi dissement -; - des ailettes intermédiaires (42) s'étendant entre les tubes (40) et reliées à ceux-ci pour constituer avec eux un ensemble, ces ailettes comportant des perforations - des distributeurs d'air (50) orientés perpendiculairement audit ensemble (42-40);; chacun d'eux ayant une entrée qui correspond à l'une des perforations précitées et au moins une sortie - des moyens (28, 26) pour introduire de l'air dans les entrées des distributeurs (40) précités, cet air traversant le distributeur (50) considéré et s'échappant par la sortie de celui-ci pour fluidiser dans le lit (22) la matière divisée qui se trouve disposee au dessus de cette sortie - les sorties des distributeurs (50) étant situées à une hauteur suffisante au dessus de l'ensemble des tubes (40) et des ailettes (42) pour délimiter entre elles et cet ensemble une couche de matière divisée stagnante qui isole le dispositif de plaque vis à vis des températures relativement élevées régnant dans la partie supérieure du lit (22). 2. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque distributeur (50) s'étend dans la perforation de l'ailette (42) correspondante suivant toute l'épaisseur de celle-ci. 3. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les perforations s'étendent à un certain écartement suivant la longueur des ailettes (42). 4. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque distributeur (50) se présente sous la forme d'un tube vertical propre à souffler l'air en direction du haut à partir de son extrémité supérieure. 5. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque distributeur se présente sous la forme d'une part d'une partie tubulaire (56) qui s'étend verticalement à partir de l'ensemble de tubes (40) et d'ailettes (42) et qui est propre à recevoir l'air, d'autre part d'une autre partie tubulaire (58) substantiellement horizontale qui communique avec la précédente (56) et qui souffle l'air à partir de ses extrémités suivant deux directions opposées. 6. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque distributeur (50) se présente sous la forme d'une part d'une première partie tubulaire (68) qui s'étend verticalement à partir de l'ensemble de tubes (40) et d'ailettes (42) et qui est propre à recevoir l'air, d'autre part de deux parties tubulaires (70) orientées obliquement et qui communiquent avec la partie verticale précitée (68), ces deux parties obliques soufflant l'air suivant deux directions opposées par rapport à ladite partie verticale (68). 7. Echangeur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que chacune des parties obliques (70) est orientée légèrement vers le bas par rapport à l'horizontale. 8. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque distributeur se présente sous la forme d'une part d'un tube comportant une partie verticale (62) qui s'étend à partir de l'ensemble de tubes (40) et d'ailettes (42), et qui est propre à recevoir l'air, d'autre part d'un partie (64) substantiellement horizontale d'une seule pièce avec la précédente et qui est destinée à souffler l'air ainsi reçu. 9. Echangeur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la partie substantiellement horizontale est propre à souffler l'air suivant une direction légèrement inclinée vers le bas par rapport à l'horizontale. 10. Echangeur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des parois verticales (12, 14, 16) qui entourent le dispositif de plaque (40, 42, 50) pour constituer une chambre propre à renfermer la matière divisée, et en ce que ces parois (12, 14, 16) sont faites de tubes verticaux à travers lesquels on fait circuler de l'eau pour transférer la chaleur provenant du lit fluidisé (22).