Brevet FR2526129A1 — publié le 19831104

L'invention concerne les chaudières à lit fluidisé ayant des possibilités relativement étendues de fonctionnement au ralenti. Des réacteurs à lit fluidisé constituent des moyens efficaces pour produire de la chaleur et, sous diverses formes, ils peuvent mettre en oeuvre des procédés de séchage, de grillage, de calcination, de traitement thermique de solides avec des gaz dans les domaines chimiques, métallurgiques et autres domaines de traitement des matières, et ils permettent également la production de gaz chauds, y compris de la vapeur d'eau, pouvant être utilisés pour l'entraînement d'équipements générateurs d'énergie électrique, pour des traitements thermiques, pour le chauffage de locaux ou pour d'autres fonctions. Dans des réacteurs produisant des gaz chauds, de l'air est mis en circulation à travers un lit de particules qui comprend un mélange de matière inerte et d'une matière combustible telle que du charbon, des déchets de bois ou d'autres matériaux combustibles Lorsque la combustion de charbon bitumineux ou d'anthracite ou d'autres combus- tibles à forte teneur en soufre est entreprise, une matière telle que de la chaux ou du calcaire, qui réagit avec le soufre libéré par la combustion, peut être intro- duite dans le lit. Des réacteurs à lit fluidisé comprennent géné- ralement une cuve comportant une plaque perforée sensible- ment horizontale, c'est-à-dire un distributeur d'air ou une plaque à étranglementsqui supporte un lit de particules solides disposé à l'intérieur de la chambre de réaction et séparant cette dernière d'une botte à vent située au- dessous de la plaque L'air de combustion est introduit dans la botte à vent et passe à travers le distributeur d'air en volume suffisant pour que l'on obtienne une vitesse de gaz provoquant une expansion ou une fluidisation du lit de particules solides, mettant en suspension 1 es particules solides du lit dans le courant d'air et conférant aux particules individuelles un mouvement aléatoire continu L'aspect et les propriétés d'un lit fluidisé ressemblent à ceux d'un liquide en ébullition Certains avantages importants résultant de la conduite d'une réaction de combustion dans un lit fluidisé comprennent la température sensiblement uniforme du lit, la combustion à des températures relativement basses et un débit de transfert de chaleur élevé Dans de telles installations à lit fluidisé, il est fréquent que des tubes d'échange de chaleur soient disposés à l'intérieur du lit, en serpentin, la longueur des tubes étant orientée horizontalement, c'est-à-dire parallèlement à la surface supérieure du lit fluidisé. Ce type d'agencement exige que le fluide de travail soit pompé pour assurer une circulation satisfaisante de l'eau et de la vapeur d'eau à travers le système L'énergie demandée pour actionner les pompes constitue une charge pour le procédé Il est également bien connu que des tubes horizontaux incorporés au lit, à configuration en serpentin, sont sujets aux destructions par érosion, en particulier au niveau des coudes de retour propres à de tels ensembles. Un inconvénient des chaudières typiques à lit fluidisé, comparées aux chaudières classiques, est dû à la présence habituelle d'une boîte à vent au-dessous de la chambre de combustion La boite à vent accroît sensiblement la hauteur totale de l'unité de sorte qu'il faut prévoir un espace supplémentaire pour les chaudières à lit fluidisé de l'art antérieur. Ensuite et également, la souplesse avec laquelle on peut faire fonctionner les chaudières à lit fluidisé connues en débit moyen ou faible est limitée Il est par- fois souhaitable de faire fonctionner une chaudière à une capacité sensiblement inférieure à sa capacité maximale Bien que cela puisse être obtenu, dans des chaudières classiques, par diminution de la quantité d'air d'alimentation, ce moyen ne permet que de faire varier très modérément la capacité dans des chaudières à lit fluidisé, car l'alimentation en air doit être maintenue à un niveau suffisant pour que le lit de particules solides reste à l'état fluidisé Si le lit fluidisé s'effondre; l'unité cesse de débiter. Conformément à l'invention, il est prévu une chaudière à lit fluidisé à circulation naturelle, entière- ment refroidie par eau, à cuve de lit à joints soudés, à tubes verticaux incorporés au lit et dans laquelle l'air de fluidisation est divisé en zones, sans que le lit proprement dit soit fragmenté. La chaudière à lit fluidisé selon l'invention comprend plus particulièrement une enveloppe, une chambre de réaction située à l'intérieur de l'enveloppe, un dis- tributeur d'air ou une grille disposé à la partie infé- rieure de la chambre de réaction et comprenant plusieurs tuyaux espacés de barbotage, une région à lit fluidisé située immédiatement au-dessus de la grille et qui, en fonctionnement, contient un lit de particules solides, des moyens d'alimentation destinés à introduire des parti- cules solides dans la zone à lit fluidisé, une zone de franc-bord s'élevant de la zone à lit fluidisé jusqu'au sommet de l'enveloppe, une chambre d'échange de chaleur par convection communiquant horizontalement avec la zone de franc-bord, un ballon de vapeur d'eau orienté horizon- talement, s'étendant à travers la zone de franc-bord, à son sommet, de façon à pénétrer dans le haut de la chambre d'échange de chaleur par convection, un ballon d'eau orienté horizontalement, s'étendant à travers le fond de la chambre à convection, au moins un distributeur d'eau disposé au-dessous de la grille dans la chambre de réaction, des parois refroidies par eau étant formées à l'intérieur de la chambre de réaction et de la chambre d'échange de chaleur par convection au moyen de tubes et de panneaux à voiles, les tubes orientés verticalement des panneaux faisant communiquer le ou les distributeurs d'eau de la chambre de réaction avec le ballon de vapeur d'eau, des rangées de tubes à convection reliant le ballon d'eau au ballon de vapeur d'eau à l'intérieur de la chambre d'échange de chaleur par convection, plusieurs tubes d'échange de chaleur, orientés verticalement étant reliés par leurs extrémités inférieures au distri- buteur d'eau, passant à travers la grille, entre des tubes de barbotage adjacents, et s'élevant pour pénétrer dans la zone du lit fluidisé et pour traverser cette zone ainsi que la zone de franc-bord, pour aboutir dans le ballon de vapeur d'eau, les tubes d'échange de chaleur étant répartis dans la chambre de combustion afin de former un couloir central de combustion exempt de tubes échan- geurs de chaleur, couloir dans lequel les moyens d'alimen- tation peuvent introduire des particules solides combus- tibles et d'autres particules de charge, les tuyaux de barbotage étant montés de manière amovible dans l'enveloppe et passant à travers les parois refroidies par eau, les tubes des parois refroidies par eau étant, dans la zone de traversée des tuyaux de barbotage, désaxés et d'un dia- mètre réduit pour permettre le passage des tuyaux de barbotage, un distributeur d'air étant placé extérieurement à l'enveloppe et relié aux tuyaux de barbotage, plusieurs orifices d'air, ménagés le long des tuyaux de barbotage étant destinés à introduire de l'air de fluidisation afin de fluidiser le lit de particules au-dessus de la grille dans la zone du lit fluidisé, des moyens de commande pouvant être manoèuvrés individuellement, étant associés à chaque tuyau de barbotage pour l'ouvrir et le fermer afin de permettre ou d'empêcher un écoulement d'air, une cheminée d'évacuation communiquant avec la chambre d'échange de chaleur par convection pour évacuer les gaz de combustion qui ont traversé cette chambre d'échange de chaleur, et des moyens d'élimination des cendres communi- quant avec la chambre de réaction. Les moyens d'élimination des cendres peuvent comprendre une auge disposée au-dessous du ou des distri- buteurs d'eau, qui s'étend au-dessous de la longueur du couloir de combustion et qui contient au moins une vis de décharge de cendres Un conduit de décharge des cendres est relié à l'auge La vis de décharge est capable de déplacer les cendres tombées à travers la grille dans l'auge, vers le conduit de décharge, pour permettre leur élimination. Dans une autre forme de réalisation, les moyens d'élimination des cendres peuvent comprendre deux vis de décharge opposées, placées dans l'auge précitée Les vis de décharge déplacent les cendres à l'intérieur de l'auge, vers le centre de cette dernière Un conduit de décharge est relié à l'auge en son centre afin de recevoir les cendres pour les éliminer. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limita- tifs et sur lesquels: la figure 1 est une élévation, avec coupe partielle, de la chaudière à lit fluidisé selon l'inven- tion, une grande partie de la structure de la chaudière étant représentée avec arrachement partiel pour faire apparaître des détails structurels intérieurs la figure 2 est une vue avec coupe partielle, suivant la ligne 2-2 de la figure 1, du compartiment de combustion de la-chaudière à lit fluidisé; la figure 3 est une coupe transversale d'un tuyau de barbotage; la figure 4 est une vue en plan suivant la ligne 4-4 de la figure 1, montrant l'agencement des tuyaux de barbotage, des tubes d'échange de chaleur incorporés au lit et de l'enceinte à parois à eau; la figure 5 est une élévation avec coupe par- tielle montrant des détails du dispositif à parois d'eau la figure 6 est une vue partielle en perspective montrant l'agencement spatial de certains éléments de l'invention la figure 7 est une coupe transversale partielle d'une variante de la chaudière selon l'invention compor- tant un dispositif modifié d'élimination des cendres; la figure 8 est une élévation, avec arrache- ment partiel, d'une autre forme de réalisation de l'in- vention comportant des vis opposées de décharge des cendres; et la figure 9 représente schématiquement deux modules destinés au transport et à l'assemblage de la chaudière à lit fluidisé selon l'invention. Les figures représentent une chaudière 10 à lit fluidisé comprenant une chambre 13 de combustion et une chambre 14 à convection Un ballon 16 de vapeur d'eau s'étend transversalement au sommet des deux chambres 13 de combustion et 14 de convection, tandis qu'un ballon d'eau 17 est disposé au fond de la seule chambre 14 de convection Une structure 18 de support est prévue pour la chaudière et, comme montré sur la figure 2, cette dernière peut être suspendue à la structure 18 de support par exemple au moyen de câbles 53. La chambre 13 de combustion comprend un lit fluidisé 19 et une zone 20 de franc-bord Le lit fluidisé est supporté par un ensemble de tuyaux 22 de barbotage alimenté en air par un distributeur d'air-38 L'enceinte de la chambre 13 de combustion est constituée d'une structure soudée à parois à eau dans laquelle plusieurs tubes 55 de parois à eau sont reliés par un voilage d'acier 56 pour former une enveloppe entourant la chambre 13 de combustion L'eau circulant dans la structure à parois à eau est fournie par des distributeurs 31, 32, 34 et 35 Des colonnes descendantes 29 et 30 alimentent en eau les distributeurs à partir du ballon 16 de vapeur d'eau et du ballon 17 d'eau, respectivement Cette structure d'enveloppe est illustrée sur la figure 4 qui montre la paroi à eau avant 24 reliée de façon étanche à des parois à eau latérales 26 et à une paroi à eau 25 en pont Un matériau isolant 12 est appliqué sur le côté exté- rieur des parois à eau 24, 25 et 26 pour réduire les pertes de chaleur, et un habillage en tôle (non représenté) peut être prévu pour protéger le matériau isolant des intempéries et d'autres détériorations. Un chargeur 40 placé au-dessus du lit est destiné à alimenter la chambre 13 de combustion, ainsi au'un brûleur 41 de mise en marche, en combustible (par exemple du charbon) et en calcaire, pour avancer la combustion Ces deux dispositifs traversent la structure formée par les parois à eau. Des tubes d'échange de chaleur 36, incorporés au lit, sont prévus dans la chambre 13 de combustion. Les tubes 36 sont orientés verticalement et s'étendent des distributeurs 34 et 35, vers le haut à travers le réseau de tuyaux 22 de barbotage, à travers le lit flui- disé 19 et à travers la zone 20 de franc-bord jusqu'au ballon 16 de vapeur d'eau. Plusieurs groupes de tubes 48 à convection sont disposés dans la chambre 14 de convection pour extraire de la chaleur supplémentaire des gaz de combustion et plusieurs chicanes 49, 50 et 52 à convection sont prévues pour faire retomber la poussière des gaz de combustion. Des trémies 42 à poussière sont destinées à recueillir la poussière séparée à l'intérieur de la chambre 14 de convection pour la réinjecter dans la chambre-13 de combustion au moyen de conduits 43. Il est prévu d'éliminer les cendres en reliant un conduit 44 d'évacuation des cendres à la zone 19 du lit fluidisé de la chambre 13 de combustion L'écoulement dans'le conduit d'évacuation des cendres est commandé par une vanne 46, et une vis 47 est prévue pour évacuer les cendres du conduit 44 afin de permettre leur mise au rebut. Des colonnes descendantes 35 ' et 34 ' sont reliées au ballon d'eau 17 pour alimenter en eau les distributeurs et 34, respectivement. Les figures 2, 4, 5 et 6 représentent en détail la disposition des tubes 36, incorporés au lit, par rapport aux tuyaux 22 de barbotage et aux parois à eau 24, 25 et 26 Il convient de noter, comme montré sur la figure 2, que la capacité de la chaudière 10 à lit fluidisé peut être réduite par fermeture d'un nombre choisi de tuyaux 22 de barbotage Habituellement, les tuyaux de barbotage les plus proches des parois de la chaudière sont arrêtés en premier, puis ceux qui sont ensuite les plus rapprochés des parois, afin qu'un lit inactif (ou effondré) soit formé contre les parois de la chaudière, le lit actif étant proche du centre de la chambre de combustion de la chaudière Un rapport de ralenti de 1 à 7, par exemple, peut être aisément obtenu avec cette chaudière à lit fluidisé. La possibilité de ralenti peut également être améliorée par un choix soigneux de la densité des tubes incorporés au lit le long de chaque côté de la chambre 13 de combustion Il est évident que, lorsque l'on ferme des tuyaux individuels 22 de barbotage en progressant des côtés vers le centre, une quantité disproportionnée de la surface des tubes incorporés au lit peut être éliminée de tout contact avec la zone du lit actif. Ceci permet de réduire davantage l'alimentation en combus- tible et la génération de vapeur d'eau par unité de surface en plan. Il convient de noter, comme montré sur la figure 2, qu'un couloir de combustion, ne présentant pas de tubes incorporés au lit, est prévu afin que le combustible et d'autres matières puissent être introduits dans la chambre 13 de combustion sans frapper contre les tubes incorporés Le fond 28, refroidi par eau, de la chambre 13 de combustion apparaît clairement sur la figure 2. Sur la figure 3, qui est une coupe transversale d'un tuyau 22 de barbotage, on voit des orifices 54 qui peuvent être inclinés pour diriger l'air vers le bas De plus, les orifices doivent être placés afin de ne pas diriger un jet d'air, qui peut provoquer une érosion extrême, directement contre un tube incorporé au lit. La figure 7 représente une forme de réalisation modifiée du dispositif d'évacuation des cendres Dans ce cas, les distributeurs d'eau 34 ' et 35 ' sont séparés pour permettre le passage d'une goulotte 58 dans laquelle les cendres tombent Un dispositif 59 d'entraînement à vis est logé dans la goulotte 58 pour retirer les cendres de la chambre de combustion afin de les évacuer. La figure 8 représente une autre variante du dispositif d'élimination des cendres, dans laquelle des dispositifs d'entraînement à vis opposés 60 et 61 sont disposés dans une goulotte 66 Des moteurs électriques 62 et 64 entraînent les dispositifs d'entraînement à vis et 61, respectivement Ces dispositifs 60 et 61 entraînent les cendres vers le centre de la goulotte 66 pour qu'elles soient éliminées par une ouverture 65 de décharge ménagée en ce point. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la chaudière décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Chaudière à lit fluidisé, caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe, une chambre ( 13) de réaction située à l'intérieur de l'enveloppe, un distri- D buteur d'air ou une grille placé dans la partie inférieure de la chambre de réaction et comprenant plusieurs tuyaux espacés ( 22) de barbotage, une zone à lit fluidisé située immédiatement au-dessus de la grille et qui, en fonctionne- ment, contient un lit ( 19) de particules solides, un dispositif ( 40) de chargement alimentant la zone à lit fluidisé en particules solides, une zone ( 20) de franc- bord s'élevant de la zone à lit fluidisé jusqu'au sommet de l'enveloppe, une chambre ( 14) d'échange de chaleur par convection communiquant horizontalement avec la zone de franc-bord, un ballon horizontal ( 16) de vapeur d'eau s'étendant à travers la zone de franc -bord, à son sommet et pénétrant dans le sommet de la chambre d'échange de chaleur par convection, un ballon horizontal ( 17) conte- nant de l'eau et s'étendant transversalement dans le fond de la chambre de convection, au moins un distributeur d'eau ( 31, 32, 34 ou 35) disposé au-dessous de la grille, dans la chambre de réaction, des parois ( 24, 25, 26) refroidies par eau étant formées dans la chambre de réaction et dans la chambre d'échange de chaleur par convection au moyen de panneaux constitués de tubes ( 55) et de voiles ( 56), les tubes des panneaux, orientés verticalement, étant reliés au distributeur ou aux distri- buteurs d'eau de la chambre de réaction et au ballon de vapeur d'eau, des groupes de tubes ( 48) à convection reliant le ballon d'eau au ballon de vapeur d'eau à l'in- térieur de la chambre d'échange de chaleur par convection, plusieurs tubes verticaux ( 36) d'échange de chaleur, reliés par leur extrémité inférieure au distributeur d'eau, passant à travers ladite grille, entre des tuyaux de barbotage adjacents et s'élevant dans et à travers la zone à lit fluidisé vers la zone de franc-bord pour aboutir dans le ballon de vapeur d'eau, les tubes d'échange de chaleur étant répartis dans la chambre de combustion afin de former un couloir central de combustion ne présentant pas de tubes d'échange de chaleur et dans lequel le dispositif de charge peut introduire des particules com- bustibles solides et d'autres particules d'alimentation, les tuyaux de barbotage étant montés de façon amovible à l'intérieur de l'enveloppe en passant à travers les parois refroidies par eau, les tubes de ces parois étant désaxés et d'un diamètre plus faible, à proximité du point de pénétration des tuyaux de barbotage afin de permettre le passage de ces tuyaux de barbotage, un distributeur d'air ( 38) étant disposé extérieurement à l'enveloppe et étant relié aux tuyaux de barbotage, plusieurs orifices ( 54) étant ménagés le long des tuyaux de barbotage pour introduire de l'air de fluidisation de façon à fluidiser is le lit de particules au-dessus de ladite grille, dans la zone du lit fluidisé, des moyens de commande, pouvant être manoeuvrés individuellement, étant associés à chaque tuyau de barbotage pour ouvrir ou fermer ce tuyau afin de permettre ou non un écoulement d'air, une cheminée d'évacuation communiquant avec la chambre d'échange de chaleur par convection pour évacuer les gaz de combustion qui ont traversé cette chambre d'échange de chaleur, et un dispositif d'élimination des cendres communiquant avec la chambre de réaction. 2 Chaudière à lit fluidisé selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les tuyaux de barbotage ont une section rectangulaire dont le grand côté est orienté verticalement, les orifices de ces tuyaux produi- sant les jets d'air étant ménagés dans les grands côtés desdits tuyaux considérés en section. 3 Chaudière à lit fluidisé selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que le dispositif d'élimination des cendres comprend une goulotte ( 58) passant au-dessous des distributeurs d'eau et s'étendant au-dessous de toute la longueur du couloir de combustion, au moins une vis ( 59) de décharge des cendres étant placée dans la goulotte et un conduit de décharge des cendres étant relié à cette goulotte, la vis étant capable de déplacer les cendres,qui tombent à travers la grille dans la goulotte, vers le conduit de décharge. 4 Chaudière à lit fluidisé selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif d'élimination des cendres comprend un prolongement en forme de goulotte ( 66) du fond ( 28) de la chambre de réaction, qui s'étend au-dessous du couloir de combustion, deux vis ( 60, 61) de décharge placées dans cette goulotte et capables de déplacer les cendres, qui tombent du lit fluidisé dans ladite goulotte, vers le centre de cette dernière, un conduit ( 65) de décharge étant relié à la goulotte, en son centre.