Brevet FR2526182A1 — publié le 19831104

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de contrôle de la température d'un lit fluidisé. En raison de leur forte capacité calorifique, on utilise depuis longtemps les lits fluidisés pour la réalisation de toutes sortes de réaction mettant en jeu des quantités d'énergie thermique importantes telles que des réactions chimiques, la gazéification de matières hydro carbon ées, la pro- duction de ciment o la combustion de matière combustible ou de déchets pour la production d'énergie. Certaines réactions doivent se produire à une température relative- ment constante ou bien qui doit être maintenue au-dessous d'une certaine li- mite, par exemple pour éviter la fusion des cendres qui pourrait gener le fonctionnement du lit fluidisé ou bien pour effectuer une désulfuration. Pour réaliser une régulation de température du lit fluidisé, on re- de l Pair froidit généralement celui-ci soit en y injectant un fluide modérateur comme/ de l'eau ou de la vapeur d'eau, soit en y immergeant des tubes refroidis par circulation d'un fluide caloporteur et qui peuvent par exemple produire de la vapeur ou de l'eau chaude. L'injection d'un fluide modérateur dans le lit, qui est utiliséenotam ment dans les réacteurs de gazéification, a l'inconvénient de diminuer la qua lité du gaz produit Le refroidissement du lit fluidisé par des tubes immergé n'a pas cet inconvénient, mais limite la souplesse des installations En effet le coefficient d'échange est relativement constant et on est donc amené, dans certaines applications, à cloisonner le lit fluidisé en compartimentset à a- juster le nombre de compartiments en fonctionnement à la puissance demandée, ce qui, évidemment, complique l'installation. L'invention a pour objet un procédé et un dispositif ne présentant pas ces inconvénients et permettant cependant d'ajuster en continu la tempé- rature du lit fluidisé à un niveau déterminé. Conformément à l'invention, le lit fluidisé étant réalisé dans une enceinte munie à sa partie supérieure d'une cheminée d'évacuation des fumées sur laquelle est placée une chambre de récupération des particules solides fines entraînées avec les fumées, on soumet au moins une partie des fines ré. cupérées à un refroidissement par passage dans un échangeur de chaleur et l'or introduit dans le lit fluidisé un débit contrôlé defines refroidiessuscep- tible de maintenir la température du lit fluidisé à un niveau déterminé. L'invention s'applique en particulier à la régulation de température d'un lit fluidisé utilisé pour la gazéification d'une matière lignocellulo- sique comme des déchets de sciérie des copeaux de bois, et d'une façon géné- rale, ce que l'on englobe sous le terme de bio-masse. Dans ces procédés, l'oxygène introduit à la base du réacteur maintient le lit fluidisé en suspension et permet la gazéification Cependant, du fait que le bois produit peut descendre, il est préférable que le lit fluidisé soit formé d'une matière inerte constituée de particules incombustibles sus- ceptibles d'itre mises en suspension telles que, par exemple, du sable ou de l'alumine. Selon l'invention, on maintient dans la matière de fluidisation une certaine quantité de particules fines susceptibles d'être entraînées avec les fumées et ces fines, qui sont récupérées à la sortie du réacteur de gazéifi- cation sont refroidies puis recyclées dans le lit fluidisé avec un débit con- tr 8 lé pour la régulation de la température du lit fluidisé au niveau souhaité. Dans ce cas, une caractéristique essentielle du procédé réside donc dans le fait que si la matière fluidiséene contient pas ou ne produit pas de fines susceptibles d'itre entraînées avec les fumées, on préfère lui rajouter une quantité déterminéade fines que l'on met en circulation en passant par un échangeur de chaleur pour obtenir un moyen de contrôle de la température du lit fluidisé assez souple pour réaliser une véritable régulation de tempéra- ture sans, cependant, interférer sur la composition des gaz produits. L'invention trouve également une application particulière dans le cas o le réacteur est du type à lit entrainé, la chambre de récupération des fi- nes entraînées avec les fumées étant reliée au lit fluidisé par un circuit de recyclage, ce qui permet notamment de régler le temps de séjour des solides lorsque les particules entrainées sont constituées par du combustible ou par un minerai à traiter. Dans ce cas, selon l'invention, on prélève une partie des fines recy- clées à la sortie de la chambre de récupération pour les soumettre à un re- froidissement puis on réintroduit au moins une partie des fines ainsi refroi- dies dans le circuit de recyclage, les débits relatifs des fines non refroi- dies et des fines refroidies étant régléspour le maintien de la température du lit fluidisé à un niveau déterminé On dispose alors d'un moyen particu- lièrement souple de régulation de la température puisque, en fonction des indications données par exemple par des capteurs de température, on peut, sans modifier le débit des fines recyclées, agir immédiatement sur la température de celle-ci en jouant sur les débits relatifs des particules chaudes et froi- des. L'invention couvre également les dispositifs particuliers réalisés pour la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit. Mais l'invention sera mieux comprise en se référant à des modes de réalisation donnés à titre d'exemples et représentés sur les dessins annexés. La figure 1 représente schématiquement un réacteur à lit fluidi- sé muni du dispositif de contrôle suivant l'invention. La figure 2 représente schématiquement un réacteur à lit circu- lant perfectionné selon l'invention. Sur la figure i on a représenté un réacteur à lit fluidisé qui peut être par exemple un réacteur de gazéification de bio masse Le réac- teur se compose essentiellement d'une enceinte cylindrique 1 à axe vertical dont la base est remplie par une matière inerte 2 constituée de particules solides incombustibles comme par exemple des grains de sable ou de ltalumi- ne. Le produit à gazéifier constitué de plaquettes ou de copeaux de bois est introduit à la base de l'enceinte 1 par une entrée 3 et l'ensemble est mis en suspension par le gaz comburant, de l'air ou de l'oxygène qui est introduit à la base de l'enceinte 1 par des injecteurs 4 Les gaz pro- duits par la réaction sont évacués, à la partie supérieure de l'enceinte 1, par une cheminée 5 Lorsque le produit à gazéifier est du charbon, les fu- mées entraînent généralement des cendres fines qui sont captées dans une chambre de récupération 6 constituée normalement par un ou plusieurs cyclo- nes dans lesquels sont introduites les fumées par la cheminée 5, les gaz étant évacués par une conduite 7 alors que les fines récupérées se rassem- blent à la base 61 du cyclone 6. Lorsque la matière à gazéifier est de la bio masse et en particu- lier des copeaux de bois produisant très peu de cendres, l'utilisation du cyclone 6 pour la récupération des fines peut ne pas être nécessaire L'une des caractéristiques du procédé selon l'invention réside précisément dans le fait que l'on va faire en sorte que des fines soient entraînées dans tous les cas avec les fumées et récupérées dans le cyclone 6 Ainsi, dans le cas de la ga 2 éification du bois, on pourra introduire dans la matière inerte 2 servant à la fluidisation une certaine quantité de particules 20 de fine granulométrie destinées essentiellement à être entraînées avec les fumées et récupérées dans le cyclone 6 A sa partie inférieure 61, celui-ci débou- che dans un échangeur 8 qui est constitué,de façon classique, d'une cham- bre verticale comportant des moyens de refroidissement comme par exemple des tubes 80 parcourus par un fluide caloporteur et constituant une surface d'échange La chambre 8 est munie à sa partie supérieure d'un orifice d'en- trée 81 relié à la sortie 61 du cyclone 6 et, à sa partie inférieure, d'un orifice de sortie 82 relié à la base de l'enceinte 1 par une conduite de re- cyclage 9 sur laquelle est placé un organe de contr 8 le du débit 10. Les particules fines 21 récupérées par le cyclone 6 se rassem- blent donc dans la chambre 8 o elles forment un lit dense qui circule de haut en bas en se refroidissant au contact des tubes 80 L'organe 10 de contrôle du débit des fines recyclées par la conduite 9 peut être de tout type approprié comme par exemple un sas rotatif, une pompe à vis, ou sim- plenent une injection de gaz à débit réglable De préférence, la température du lit fluidisé mesurée p;ir un capteur 11 permet, par un dispositif de ré- gulation 12 facile à concevoir, de régler le débit recyclé par l'intermédi- aire de l'organe de contr 8 le 10 Le dimensionnement de l'échangeur est fait pour le débit maximum et il peut donc, dans une certaine mesure, absorber un excès de débit de fines Cependant, la quantité excédentaire peut égale- ment être évacuée par une sortie 13. On a ainsi décrit un moyen de régulation de la température -du lit fluidisé 2 ne risquant pas d'interfér sur la composition des gaz pro- duits par la réaction de gazéification et ayant cependant un temps de répon- se très court, l'échangeur 8 gardant en reserve une quantité importante de fines refroidies sur laquelle on peut puiser en fonction des besoins pour le maintien de la température du lit fluidisé 2. D'ailleurs, on peut également faire déboucher la conduite d'éva- cuation 13 sur une réserve servant de trop-plein et sur laquelle on peut puiser pour, en cas de besoin, apporter au lit fluidisé un débit important de fines refroidies. L'échangeur 8 peut être refroidi par tout moyen et produire ou non une énergie récupérable Pour augmenter le taux de refroidissement, on peut introduire à sa base un fluide de refroidissement comme de la vapeur d'eau ou de l'air par des ircteurs 83, avec un débit suffisamment faible pour ne pas gêner le fonctionnement du cyclone 6, la chambre 8 étant munie sa partie supérieure de moyens dlétracuation des gaz ayant traversé la ma- tière solide 21. Bien entendu, la possibilité, selon l'invention, de régler la température du lit fluidisé 2 par injection de fines refroidies n'interdit pas d'introduire par les injecteurs 4,à la base du réacteur 1, un certain débit de vapeur d'eau qui joue le rôle de modérateur Cependant, grâce à l'invention, il sera possible de limiter la quantité de vapeur d'eau injectée 2 e 26 182 avec l'oxygène au seul minimum nécessaire à la réaction de gazéification, la quantité complémentaire nécessaire à l'ajustement de la température étant remplacée par le débit voulu de fines recyclées. Comme on l'a indiqué, l'invention s'adapte particulièrement bien aux réacteurs dits "à lit circulant" utilisés lorsque le gaz de fluidisa- tion a une vitesse importante et/ou lorsque l'on désire augmenter le temps de séjour des particules traitées. La figure 2 représente schématiquement une telle installation comportant une enceinte cylindrique i constituant le réacteur, munie à sa base de moyens 4 d'injection du gaz de fluidisation et reliée par une che- minée 5 à une chambre de récupération 6 dont la base 61 est elle-même reliée par une gaine de recirculation 14 à une entrée 15 par laquelle la matière. récupérée dans le cyclone 6 est réintroduite dans le lit fluidisé. Dans le cas représenté, la vitesse des gaz introduits par les in- jecteurs 4 est telle qu'une proportion importante des matières solides for- me une suspension diluée dans la partie supérieure de l'enceinte 1 et s'é- chappe par la cheminée 5 Il s'établit donc, de façon connue, un circuit de circulation des particules les plus fines entre l'enceinte 1 et le cyclone 6 reliés par les gaines 5 et 14, les particules les plus lourdes remplis- sant une zone plus dense, à la base du réacteur 1 On peut ainsi contrôler le temps de séjour d'une matière combustible puisque les particules les plus lourdes restent dans la zone dense et que les particules les plus fines entraînées par les fumées et comportant encore une partie combustible sont renvoyées dans le lit fluidisé par la gaine 14. Selon l'invention, on prélève à la sortie du cyclone 6 une partie des particules fines pour les faire passer par un échangeur 8 branché en pa- rallèle sur un circuit de dérivation comportant une branche amont 16 branchée sur le début de la gaine de recirculation 14, légèrement en aval du cyclone 6, et une branche aval 17 branchée à l'extrémité de la gaine de recirculation 14, légèrement en amont de l'entrée 15 dans le réacteur 1. La proportion de fines prélevées par la conduite 16 sur le débit de sortie du cyclone 6 peut être constante ou bien réglée par une vanne 18. Comme indiqué précédemment, une vanne 10 permet de contrôler le débit de fines refroidies à la sortie de l'échangeur 8 et recyclées par la conduite 17, l'excès éventuel étant évacué par une sortie 23. A la jonction de la conduite 17 avec la conduite de recyclage 14 est placée une vanne 19 qui permet de régler les débits relatifs de fines chaudes et froides venant respectivement des conduites 14 et 17 de façon à régler le débit et la température des fines introduites à l'entrée 15. Bien entendu, la circulation des fines et leur introduction dans le lit fluidisé 2 peut nécessiter l'emploi de moyens spéciaux qui ne sont pas décrits ici, ce problème étant déjà connu pour le fonctionnement des lits circulants. Comme indiqué dans le cas de la figure 1, le refroidissement des fines dans l'échangeur 8 peut être réglé soit en agissant sur la vitesse de circulation de haut en bas des fines, soit sur l'intensité du refroidis- sement D'une façon générale, l'ensemble des moyens de réglage peut être commandé un circuit d'asservissement comprenant une unité de commande 12 recevant différentes informations et notamment la température du lit flui- disé donnéepar un capteur Il et donnant des ordres de commiade aux diffé- rents moyens de réglage. Bien entendu, l'invention ne se limite pas seulement aux deux modes de réalisation qui ont été décrits, d'autres variantes pouvant être imaginées en utilisant des moyens équivalents. D'autre part, comme on l'a indiqué, l'invention peut s'appliquer dans tous les cas o l'on désire contr 8 ler la température d'une réaction exothermique réalisée en lit fluidisé, colne par exemple la gazéification ou la combustion de matières hydrocarboré'es, l'incinération de déchets, le grillage de minerais sulfurés tels que pyrites, blendes, sulfures d'argent etc, ainsi que dans l'industrie chimique. REVENDICATIONS 1. Procédé de contr 8 le de la température d'un lit fluidisé dans le- quel est effectuée une réaction exothermique, à l'intérieur d'une enceinte comportant à sa partie inférieure des moyens de luidisation de particules so- lides et à sa partie supérieure une cheminée d'évacuation des fumées débou- chant dans un moyen de récupération de particules solides fines entraînées avec lesdites fumées caractérisé par le fait que l'on soumet au moins une par- tie des fines récupérées à un refroidissement par passage dans un échangeur de chaleur et que l'on introduit dans le lit fluidisé un débit contr 8 lé de fines refroidies, susceptible de maintenir la température du litfluidisé à un niveau déterminé. 2. Procédé de contrôle, selon la revendication 1, de la température d'un lit fluidisé constitué d'une matière inerte en suspension et dans lequel est effectuéela gazéification d'une matière lignocellulosique, caractérisé par le fait que l'on maintient dans la matière inerte de fluidisation une certaine quantité de particules fines susceptibles d'être entraînées avec les fumées, lesdites fines étant récupérées puis refroidies et Iecyclées dans le lit flui- disé avec un débit contrôlé. 3. Procédé de contr 8 le selon la revendication 1 de la température: d'un lit fluidisé dans lequel les particules fines entraînées avec les fumées sont récupérées et renvoyées au lit fluidisé par un circuit de recyclage, ca- ractérisé par le fait que l'on prélève une partie des fines recyclées pour la soumettre à un refroidissement puis que l'on réintroduit au moins une partie des fines ainsi refroidies dans le circuit de recyclage, les débits relatifs de fines non refroidies et refroidies étant réglés pour le maintien de la tem- pérature du lit fluidisé à un niveau déterminé. 4. Dispositif de contr 8 le de la température d'un lit fluidisé réalisé à l'intérieur d'une enceinte verticale munie à sa partie inférieure de moyens d'injection d'un fluide et à sa partie supérieure d'une cheminée d'évacuation des gaz débouchant dans une chambre de récupération des particules solides fi- nes entraînées avec les gaz, caractérisé par le fait qu'il comprend un échan- geur de chaleur constitué d'une chambre comportant des moyens de refroidisse- ment et munie à sa partie supérieure d'un orifice d'entrée des fines relié à la base de la chambre de récupération et à sa partie inférieure d'un orifice de sortie des fines refroidies relié à la base de l'enceinte de fluidisation par une conduite de recyclage dans le lit fluidisé des fines refroidies, mu- nie d'un organe de réglage du débit recyclé. 5. Dispositif de contr 8 le de la température d'un lit fluidisé selon la revendication 4 caractérisé par le fait que, la chambre de récupération étant reliée à la base de l'enceinte de fluidisation par une gaine de recir- culation des fines récupérées, l'échangeur de chaleur est branché en paral- lèle sur un circuit de dérivation d'une partie des fines rejoignant la gaine de recirculation en amont du point de réintroduction dans l'enceinte, des orga- nes de contr 8 le des débits étant placés sur la gaine de recirculation et sur le circuit de dérivation, à la sortie de l'échangeur.