Brevet FR2541435A1 — publié le 19840824

La présente invention concerne un générateur thermique pour la réalisa- tion du chauffage de fluide par échange thermique au moyen d'un lit flui- disé, ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre d'un tel générateur. On connait déjà des techniques, selon lesquelles un faisceau de tubes d'échange de chaleur est plongé dans un lit fluidisé, que l'on maintient à température élevée en y faisant brûler du combustible De telles tech- niques présentent des difficultés inhérentes à l'impossibilité de réali- ser des conditions optimales à la fois pour la combustion et pour l'échan- ge thermique. On connait aussi des installations à lit circulant, dans lesquelles on ré- alise dans un conduitvertical, de grande longueur, la combustion et le transport de solides, tandis que l'échange thermique s'effectue, dans un échangeur séparé, au moyen de solides chauffés au cours de la com- bustion Une telle technique séparant la zone de combustion de la zone d'échange introduit des améliorations en ce qui concerne l'efficacité de la combustion et la simplification des problèmes de contrôle, mais pré- sente surtout l'inconvénient d'un grand encombrement spatial de l'insta- llation. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients signalés en proposant une installation dans laquelle on réalise dans une seule enceinte, d'encombrement réduit, deux zones séparées, la zone de com- bustion et la zone d'échange thermique, et qui offre les possibilités de contrôle adéquat des conditions opératoires, telles que la vitesse des gaz et le débit de circulation de solides entre ces zones. Le générateur thermique pour la réalisation du chauffage de fluide par échange thermique au moyen d'un lit fluidisé de particules inertes en circulation passant par une chambre de combustion est caractérisé en ce que l'enceinte du générateur comprend une zone de combustion au moins partiellement environnée d'une zone d'échange thermique, la zone de com- bustion comprenant à sa partie inférieure une chambre de prémélange et d'ignition comportant des moyens d'alimentation en air, en combustible et en particules inertes de recyclage, en provenance de la zone d'échan- ge thermique, ladite chambre de prémélange étant surmontée d'un conduit vertical garni d'empilage réfractaire et comportant, au dessus de l'em- pilage, une ouverture ménagée dans la paroi du conduit pour le déverse- ment des solides vers la zone d'échange thermique, laquelle zone est con- stituée en une zone de lit fluidisé dense munie d'une grille de distri- bution et de moyens d'alimentation et de soutirage d'air de fluidisation 41435 et contient des tubes de circulation de fluides au contact du lit fluidisé. Les moyens d'alimentation de la chambre de prémélange en particules iner- tes recyclées peuvent avantageusement consister en une ou plusieurs ouver- tures latérales ménagées dans la paroi de cette chambre et communiquant avec la partie inférieure de la zone fluidisée d'échange thermique. Un injecteur d'air comprimé placé à proximité de cette ouverture peut assis- ter le passage de particules à cet endroit. Le conduit vertical garni d'empilage et servant de foyer de combustion est surmonté de préférence d'un conduit de soutirage de gaz de combus- tion pouvant être relié à un cyclone Ce conduit de soutirage est alors placé au dessus de l'ouverture de déversement. L'ouverture dans la paroi du conduit vertical servant de déversoir peut communiquer avec un autre conduit vertical situé à l'extérieur du pre- mier conduit et débouchant à sa partie inférieure dans la zone fluidisée d'échange thermique. Les tubes d'échangeur sont placés de préférence à proximité des parois du générateur dans la zone d'échange thermique, pour limiter les déper- ditions de chaleur. Le générateur, en matériau réfractaire calorifuge, peut avoir une section rectangulaire ou circulaire La chambre de prémélange et le conduit garni d'empilage constituant la zone de combustion seront-placés au sein du gé- nérateur et la section de cette zone pourra mesurer 10 à 20 % de la section totale du générateur Les parois de la chambre et du conduit seront en ma- tériau réfractaire utilisé pour les foyers de combustion. Le conduit vertical surmontant la chambre de prémélange est rempli jusqu'à une certaine hauteur de garnissage en matériau réfractaire lai- ssant un passage libre sur une section d'au moins 50 % de la section totale de la zone de combustion. A titre de garnissage, on emploiera de préférence une structure fixe constituée par l'empilement de barreaux disposés par couches superposées, les barreaux d'une même couche étant parallèles entre eux et décalés an- gulairement par rapport aux barreaux des couches adjacentes Dans le cas o le décalage angulaire est de 900, les barreaux des couches de même parité se trouvent parallèles entre eux, et il y a alors intérêt à les disposer en quinconce croisé,c'est à dire de sorte qu'en projec- tion sur un plan horizontal, les barreaux d'une couche se trouvent laté- ralement décalés par rapport aux barreaux des deux couches dont ils ne sont séparés que par une seule couche. En variante, on pourra employer aussi des anneaux, couramment appelés "anneaux Pall", réalisés à partir d'éléments cylindriques creux, en ma- tériau réfractaire, dans lesquels des découpes incomplètes ont été réalisées et pliées vers l'intérieur, formant ainsi des ailettes. Pour la mise en marche du générateur, celui-ci pourra comporter un brû- leur alimenté en combustible liquide ou solide débouchant dans la chambre de prémélange, ou bien des résistances électriques placées dans la paroi de la zone de combustion. L'invention a également pour objet un procédé de combustion et d'échan- ge thermique mis en oeuvre au moyen du générateur décrit, caractérisé en ce qu'on règle les débits d'air de façon à assurer le maintien d'un lit fluidisé dense de particules inertes dans la zone d'échange thermique et d'un lit fluidisé circulant expansé de particules inertes et de com- bustible dans la zone de combustion sous forme d'une suspension dont la densité peut varier de 10 à 50 % en volume. La conduite du générateur pour satisfaire à ces conditions sera appro- priée en fonction de l'utilisation de l'installation et de la nature du combustible et de particules inertes On emploiera par exemple du sable, dont la granulométrie variant de 450 à 1250 p présente une moyenne de 830 u environ Le combustible pourra être du charbon pulvérisé, du fuel lourd ou des résidus lourds. Lorsque le combustible contient du soufre en quantité importante, il est avantageux d'introduire conjointement du calcaire ou de la dolomie, afin de fixer les oxydes de soufre dégagés par la combustion et de contrôler ainsi les rejets dans l'environnement. Le débit d'air insufflé sous la grille de distribution de la zone flui- disée d'échange thermique sera suffisant pour assurer une vitesse mini- male de fluidisation, qui dans le cas de la taille de particules et dé leur masse volumique choisies devra être au minimum de 0,20 m/s et de pré- férence d'environ 0,4 m/s Cette vitesse assurera le maintien d'un lit fluidisé dense, dont le solide occupe environ 50 % de volume, et per- mettra un bon transfert de chaleur au contact de tubes d'échangeur. Le débit d'air insufflé, indépendamment du premier, dans la chambre de prémélange de la zone de combustion devra assurer une vitesse 10 fois plus élevée, c'est à dire d'environ 4 m/s, de sorte que le lit fluidisé dans la zone de combustion soit un lit relativement aéré, constitué par une suspension dont la densité peut varier entre 10 et 50 % en volume, de préférence de 30 % en volume de solides. D'autres caractéristiques et propriétés de l'installation et du procédé 41435 selon l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un exem- ple de réalisation qui suit à l'aide de dessins, dont la figure l est une vue en coupe longitudinale selon C-C de la figure 3 du générateur thermique la figure 2 est une vue en coupe longitudinale selon B-B de la figure 1, et la figure 3 est une coupe transversale selon A-A de la figure 1. Dans un générateur de section rectangulaire, une enveloppe extérieure 20 renferme deux zones: une zone de combustion 1 et une zone fluidisée de transfert de chaleur 2. La zone de combustion se présente sous forme d'une cheminée verticale 21 de section rectangulaire placée dans un coin de la section rectangulaire du générateur et garnie jusqu'à une certaine hauteur d'empilage réfrac- taire 6 La cheminée 21 est entourée sur tous ses côtés de résistances électriques 5 servant au préchauffage du générateur Dans sa partie su- périeure, la cheminée est munie d'un orifice de déversement de trop-plein 22 qui débouche dans une goulotte verticale 4 placée à l'extérieur de la zone 1, servant à ramener les solides en provenance du foyer de combustion vers la partie inférieure de la zone fluidisée 2. La cheminée 21 se prolonge vers le haut pour déboucher dans une chambre 23 laquelle peut éventuellement déboucher à l'entrée d'un cyclone. Le foyer de la zone de combustion surmonte une chambre, garnie ou non, de prémélange 25 limitée vers le bas par une grille 8 et dans laquelle débouchent un tube d'alimentation 10 en combustible solide, un tube d'in- jection 11 de combustible liquide placé dans l'axe à l'intérieur d'un tube 12 d'arrivée d'air de combustion Sur un des côtés communiquant avec la zone 2, la chambre de mélange 25 est pourvue d'une lucarne 7. La zone fluidisée de transfert de chaleur 2 est munie vers le bas de plusieurs arrivées 13 d'air de fluidisation débouchant sous une grille de diffusion 9. Les deux côtés des parois 20 qui ne sont pas adjacents à la zone de combustion 1 sont garnis de tubes verticaux d'échangeur de chaleur 3, qui, reliés aux collecteurs 24 forment une installation de chaudière. Selon un exemple du fonctionnement de l'installation décrite, on charge 100 kg de sable de quartz qui, grâce à l'alimentation en air en 12 se trouve à l'état fluidisé dans la zone 1 On met en fonction l'installation de préchauffage électrique 5 Lorsque la température atteint 8000 C dans la zone de combustion, on démarre la fluidisation dans la zone dense 2 et on ajoute 50 kg de sable progressivement de façon à établir la 2 541435 différence de niveau entre les deux lits fluidisés d'environ 20 cm. Cette façon de procéder permet de réduire la vitesse de circulation du sa- ble entre les deux zones On démarre ensuite la circulation d'eau dans les tubes 3 en réglant son débit pour ne pas dépasser la température d'ébu- Ilition. En initiant l'alimentation en combustible, on réduit progressivement la puissance de chauffage électrique, tout en maintenant la température du foyer autour de 8500 C On coupe définitivement le chauffage élec- trique, lorsqu'on atteint 3350 C dans le lit dense et on maintient le débit de combustible à sa valeur maximale. En régime stabilisé du générateur, on alimente la zone de combustion par un fuel lourd avec un débit de 6,4 kg/heure et un excès d'air d'environ % La puissance libérée est alors de l'ordre de 62 thermies/heure. L'installation est remplie de sable, dont le débit de circulation entre la zone de combustion 1 et la zone fluidisée 2 es-t d'environ 300 kg/heure. La température du foyer est d'environ 8500 C, tandis que celle du lit dense est d'environ 3350 C. Le débit d'eau entrant dans les tubes 3 à 600 C et sortant vers un des collecteurs 24 à 800 C est de 17 m 3/heure. On voit que les performances obtenues grâce au transfert de chaleur réa- lisé au moyen de l'installation selon l'invention sont très intéressantes. L'invention n'est pas limitée à la réalisation décrite, elle englobe également de nombreuses variantes et notamment en ce qui concerne la géométrie et les dimensions du générateur thermique, des agencements de la zone de combustion à l'intérieur du générateur, les modes d'alimenta- tion en air, en combustible et en particules inertes des lits fluidisés, et la nature du combustible et du chauffage initial pour la mise en route, ainsi que les modes de contrôle de la quantité totale de solide dans l'installation. REVENDICATIONS 1 Générateur thermique pour la réalisation du chauffage de fluide par échange thermique au moyen d'un lit fluidisé de particules inertes en circulation passant par une chambre de combustion, caractérisé en ce que l'enceinte du générateur comprend une zone de combustion ( 1) au moins partiellement environnée d'une zone d'échange thermique ( 2), la zone de combustion comprenant à sa partie inférieure une chambre de prémélange et d'ignition ( 25) comportant des moyens d'alimentation en air ( 12), en combustible ( 10,11) et en particules inertes de recycla- ge en provenance de la zone d'échange thermique ( 2), ladite chambre de prémélange étant surmontée d'un conduit vertical ( 21) garni d'em- pilage réfractaire ( 6) et comportant au dessus de l'empilage une ouverture ( 22) ménagée dans la paroi du conduit pour le déversement des solides vers la zone d'échange thermique ( 2), laquelle zone est constituée en une zone de lit fluidisé dense munie d'une grille de distribution ( 9) et de moyens d'alimentation ( 13) et de soutirage d'air de fluidisation et contient des tubes ( 3) de circulation de fluide au contact du lit fluidisé. 2 Générateur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation de la chambre de prémélange en particules inertes recyclées consistent en une ouverture ( 7) latérale ménagée dans la paroi de cette chambre et communiquant avec la zone fluidisée d'échange thermique ( 2). 3 Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un injec- teur d'air sous pression débouche à proximité de ladite ouverture ( 7) pour assister le passage de particules inertes de la zone d'échange thermique ( 2) à la chambre de prémélange ( 25). 4 Générateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le conduit vertical ( 21) garni d'empilage ( 6) est surmonté au dessus de l'ouverture de déversement ( 22) d'une chambre ( 23) de sou- tirage de gaz de combustion reliée à un cyclone. Générateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ouverture ( 22) dans la paroi du conduit vertical ( 21) garni d'em- pilage ( 6) est constituée en un déversoir de trop-plein, qui commu- nique avec un conduit vertical ( 4) situé à l'extérieur dudit conduit ( 22) et débouchant à sa partie inférieure dans la zone fluidisée d'échan- ge thermique ( 2). 6 Générateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce 2 541435 que les tubes de circulation ( 3) de fluide sont placés à proximité des parois ( 20) de la zone d'échange thermique ( 2). 7 Générateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les matériaux de garnissage consistent en une structure fixe con- stituée par un empilage de plusieurs couches de barres parallèles espa- cées, décalées angulairement d'une couche à l'autre. 8 Générateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le décalage angulaire des barreaux constituant le garnissage est de 900, l'em- pilement de barreaux étant réalisé en "quinconce croisé". 9 Générateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les matériaux de garnissage sont constitués par des anneaux creux en acier réfractaire comportant des ailettes formées par pliage vers l'intérieur de l'anneau des découpespeatiquées dans le matériau de l'anneau. 10 Générateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, dans la zone de combustion ( 1), la partie non obstruée par l'em- pilage, mesurée sur la section droite de passage, soit d'au moins 50 % de la section totale de cette zone. 11 Générateur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la surface droite de la zone de combustion ( 1) garnie représente à 20 % de la surface totale de la section droite du générateur. 12 Générateur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce le générateur a une forme parallélipipédique et que la zone de com- bustion, également de forme parallélipipédique, présente une ou deux parois contigues à la paroi du générateur ( 20), la surface intérieure de parois du générateur non adjacentes à la zone de combustion étant garnie de tubes de circulation ( 3) de fluide. 13 -Procédé de combustion et d'échange thermique mis en oeuvre au moyen du générateur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'on règle les débits d'air de façon à assurer le maintien d'un lit fluidisé dense de particules inertes dans la zone d'échange thermique et d'un lit fluidisé expansé de particules inertes et de combustible ascendant dans la zone de combustion sous forme d'une suspensiondont la densité peut varier entre 10 et 50 % en volume. 14 Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la vitesse d'air insufflé dans la zone de combustion est d'environ 10 fois su- périeure à celle de l'air insufflé dans la zone fluidisée d'échange thermique. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce qu'on assiste le passage de particules inertes de la zone d'échange ther- mique vers la chambre de prémélange à l'aide d'un jet d'air dont la vitesse est de quelques mètres par seconde. 16 Procédé de combustion et d'échange thermique selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce qu'on charge le générateur de sable de façon à établir un lit fluidisé dans la zone de combustion, on préchauffe cette zone à l'aide d'un chauffage électrique à une température de l'ordre de 800 CC, on établit un lit fluidisé dense dans la zone fluidisée de transfert de chaleur, on alimente la zone de combustion en combustible, on réduit progressivement le chauffage élec- trique, on règle par addition de sable le niveau du lit fluidisé dense defaçon à établir une différence de niveau entre-les deux lits à une valeur variant de 10 à 25 cm, on supprime le chauffage élec- trique dès que la température du lit fluidisé dense a atteint une température d'environ 335 %C, on alimente les tubes d'échange ther- mique en eau de refroidissement et on règle la vitesse de l'air insufflé dans la zone de combustion à environ 4 n/s et celle de l'air insufflé dans la zone du lit dense à environ 0,4 m/s. 17 Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que du calcaire de la dolomie ou tout autre matériau solide pulvérulent capable de fixer les oxydes de soufre est introduit conjointement avec le com- bustible, afin de contrôler la teneur des fumées rejetées en oxydes de soufre.