Brevet FR2538081A1 — publié le 19840622

L'invention concerne un procédé et un appareil de transmission de chaleur utilisés pour transmettre la chaleur d'une unité de combustion à lit fluidisé en cir- culation à un fluide tel que de l'air devant être détendu dans une turbine à gaz Elle a trait plus particulièrement à des échangeurs de chaleur extérieurs à l'unité de com- bustion. Les centrales de production d'énergie électrique à partir de combustible solide ou liquide, à cycle combiné ou cogénération, comprennent généralement une unité de combustion destinée à brûler le combustible afin de pro- duire de la vapeur d'eau destinée à une turbine ou à une autre utilisation et de chauffer un fluide pour une tur- bine à gaz ou autre fluide Une unité de combustion à lit fluidisé est avantageuse pour une telle utilisation Jus- qu'à présent, la pratique a consisté à produire de la vapeur d'eau et chauffer le fluide dans la même unité de combustion Cette dernière peut être mise en oeuvre à la pression atmosphérique, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 4 116 005, ou avec un lit sous pression comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 223 529 Il existe des avantages à séparer ou dissocier la fonction de chauffage du fluide de l'unité de combustion de sa fonction de production de vapeur d'eau, comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 320 878, déposée le 18 Novembre 1981 sous le titre "Combined Cycle Power Plant With Circulating Fluidized Bed Heat Transfer" Dans la centrale décrite dans cette demande, le lit fluidisé de l'unité de combus- tion est mis en circulation à travers un échangeur de chaleur extérieur à l'unité de combustion afin de chauffer l'air destiné à une turbine à gaz La température de l'air ainsi chauffé et transmis à la turbine à gaz est inférieure à celle du lit fluidisé de l'unité de combustion Lorsqu'un combustible contenant du soufre est brûlé dans cette unité de combustion, il est nécessaire de charger cette dernière d'une matière absorbant le soufre, normalement des parti- cules de calcaire, en même temps que du combustible pour réduire l'émission de soufre dans le gaz de carneau La plage optimale de températures de combustion à cet effet est d'environ 790-930 'C Le rendement des turbines à fluide augmente avec la température du fluide qui les alimente et il est souhaitable de faire fonctionner une turbine d'une centrale à cycle combiné ou à cogénéra- tion à des températures plus élevées s'il ne résulte pas un accroissement des émissions de soufre. L'invention concerne une centrale à cycle com- biné ou cogénération utilisant une unité de combustion à lit fluidisé dans laquelle du charbon ou autre combustible contenant du soufre est brûlé sensiblement à la pression atmosphérique, et une unité extérieure de transmission de chaleur à travers laquelle une partie des solides chauds du lit fluidisé circule en relation de transmission de chaleur avec un fluide comprimé destiné à une turbine à fluide La température du fluide fourni à la turbine et provenant de l'échangeur de chaleur est élevée par un apport de chaleur aux solides en circulation entrant dans l'unité extérieure de transmission de chaleur A cet effet, le combustible est brûlé avec l'air en contact avec les solides en circulation dans une chambre d'augmentation de combustion, extérieure à l'unité de combustion, et qui peut être extérieure à l'unité de transmission de chaleur ou bien qui peut en faire partie, ainsi qu'il apparaîtra ci-après Les produits de combustion, contenant du soufre, provenant de la chambre mentionnée cidessus, qui sont à une température supérieure à la température optimale pour l'élimination du soufre par le calcaire ou autres substances analogues d'absorption du soufre, sont conduits vers le lit fluidisé de l'unité de combustion o ils entrent en contact avec les particules d'absorption de soufre chargées avec le combustible de cette unité Etant donné que le volume de ces gaz plus chauds ne constitue qu'une petite fraction des gaz de combustion se trouvant dans l'unité de combustion, les gaz plus chauds sont refroidis et désul- furés dans l'unité de combustion. -L'invention concerne également la centrale décrite ci-dessus, mais à laquelle est ajouté un second échangeur de chaleur Le fluide chauffé dans le premier échangeur de chaleur est un fluide à haute capacité calorifique tel qu'un métal liquide Le fluide intermédiaire est mis en circulation à travers le second échangeur de chaleur, de façon à échanger de la chaleur avec un second fluide qui alimente une turbine. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est un schéma simplifié d'une unité de combustion à lit fluidisé dont une partie des solides du lit fluidisé sont mis en circulation à travers une chambre d'augmentation de combustion selon l'invention et un réchauffeur d'air extérieur dans des tubes réchauffeurs d'air duquel passent les solides du lit fluidisé la figure 2 est un schéma simplifié d'une unité de combustion lit fluidisé dont une partie des solides du lit fluidisé est mise en circulation à travers une chambre d'augmentation de combustion selon l'invention et un réchauffeur d'air extérieur dans les tubes réchauffeurs d'air duquel passe l'air à chauffer; et la figure 3 est une vue schématique simplifiée de l'appareil de la figure 2, mais qui comprend également un second échangeur de chaleur monté comme décrit précé- demment. La figure 1 représente une unité 11 de combustion à lit fluidisé qui est alimentée en combustible 12 contenant du soufre, en matière 13 d'absorption du soufre telle que du calcaire, et en air primaire 14 Les solides chauds du lit fluidisé et les produits gazeux de combustion sont aspirés par un conduit 15 et introduits dans un cyclone primaire 16 Les produits gazeux de combustion sont séparés et transférés par un conduit 17 vers un appareil de récupé- ration de chaleur Les solides chauds séparés sont dirigés par un conduit 18 vers la chambre 19 d'augmentation de combustion selon l'invention Cette chambre est également alimentée en air 21 de fluidisation et de combustion et en combustible 22 Ce dernier est brûlé avec l'air dans la chambre 19 qui est utilisée comme unité de combustion à lit fluidisé dans laquelle le combustible est brûlé en contact avec les solides chauds du lit fluidisé provenant du cyclone 16 Les solides du lit fluidisé qui sont ainsi élevés à une température supérieure à celle à laquelle ils arrivent à la chambre 19 sont dirigés par un conduit 23 vers un échangeur de chaleur 24 De l'air d'entraine- ment préchauffé est introduit en 29 dans l'échangeur de chaleur 24 Les solides chauds en suspension passent dans des tubes 25 de l'échangeur de chaleur 24 et reviennent par un conduit 26 à l'unité 11 de combustion Un fluide comprimé, par exemple de l'air, est introduit en 27 dans l'unité 24 de transmission de chaleur afin de circuler autour des tubes 25 et il est dirigé par un conduit 28 vers une turbine à gaz (non représentée) Les produits gazeux de combustion provenant de la chambre 1,9 d'augmen- tation de combustion sortent de cette dernière par un conduit 30 et sont renvoyés à l'unité 11 de combustion. La figure 2 représente une forme de réalisation d'appareil analogue à celle représentée sur la figure 1, mais l'échangeur de chaleur 31 est d'un type dans lequel le fluide à chauffer passe dans des tubes et les solides chauds en suspension circulent autour des tubes La chambre 19 d'augmentation de combustion est représentée comme faisant partie intégrante de l'échangeur de chaleur 31 Les solides chauds provenant du cyclone primaire 16 sont introduits par le conduit 18 dans la chambre 19 d'aug- mentation de combustion et en sortent en 23 pour pénétrer dans l'échangeur de chaleur 31 o ils s'écoulent autour des tubes 32 avant d'être ramenés à l'unité 11 de combus- tion par le conduit 26 de retour L'air provenant d'un compresseur est introduit dans les tubes 32 de l'échangeur de chaleur par le conduit 27 et en est déchargé par un conduit 28 vers une turbine à gaz Comme précédemment, l'air de combustion et de fluidisation est introduit en 21 dans la chambre 19 d'augmentation de combustion et l'air de fluidisation est également introduit en 29 dans l'échan- geur de chaleur 31 Les produits gazeux de combustion sont aspirés de la chambre 19 d'augmentation de combustion en passant par un conduit 30 et sont renvoyés à l'unité 11 de combustion. Comme mentionné précédemment, l'appareil de la figure 3 comprend l'appareil de la figure 2, décrit ci- dessus, auquel un second échangeur de chaleur est ajouté. Les éléments de la figure 3 qui sont identiques à ceux de la figure 2 portent les mêmes références numériques et ne seront pas de nouveau décrits Le second échangeur de chaleur 34 est de même réalisation que l'échangeur de chaleur 24 représenté sur la figure 1 Le conduit 28 fait passer le fluide provenant des tubes 32 de l'échangeur de - chaleur 31 dans les tubes 35 de l'échangeur de chaleur 34 Ce fluide est dirigé par un conduit 36 de l'échangeur de chaleur 34 vers un réservoir 37 duquel il est refoulé par une pompe 38 vers les tubes 32 de l'échangeur de chaleur 31 en passant par le conduit 27 Un fluide tel que de l'air provenant d'un compresseur est introduit dans l'échangeur de chaleur 34, par un conduit 39, de façon à s'écouler autour des tubes 35, et il est déchargé de l'échangeur de chaleur par un conduit 40 vers une turbine à gaz L'échangeur de chaleur 34 peut être de même réali- sation que l'échangeur de chaleur 3-1 si cela est souhaité. Le fonctionnement de l'appareil selon l'inven- tion est sensiblement le même que celui des formes de réalisation des figures 1 et 2 La température régnant dans l'unité 11 de combustion est maintenue à une valeur optimisant l'élimination du soufre des gaz de carneau par les particules d'absorption de soufre Cette plage de températures est d'environ 790-930 'C Les solides en circulation provenant de l'unité 11 de combustion, qui peuvent comprendre des particules de combustible et des particules d'absorption de soufre, perdent une certaine partie de leur chaleur avant d'arriver à la chambre 19 d'augmentation de combustion Le combustible supplémen- taire brûlé dans cette chambre avec l'air de combustion également admis élève la température de ces solides jus- qu'à une plage préférée d'environ 870-1040 OC, et les solides en circulation sont conduits vers l'unité 24 ou 31 de transmission de chaleur, suivant le cas, à des tem- pératures qui ne sont que-légèrement inférieures L'air comprimé destiné à être utilisé par la turbine à gaz est donc porté à une température très supérieure à toute tempé- rature pouvant être obtenue par l'appareil lorsque ce der- nier n'utilise pas la chambre d'augmentation de combustion selon l'invention et qu'il est conçu pour réduire la teneur en soufre de ses gaz de carneau Les produits gazeux de combustion provenant de la chambre d'augmentation de com- bustion, qui peuvent avoir une teneur en soufre relative- ment élevée, sont renvoyés à l'unité 11 de combustion o la température est maintenue à une valeur optimale pour l'élimination du soufre et, étant donné que leur volume est faible par rapport à celui du gaz de carneau provenant de l'unité de combustion, ils sont refroidis à une tempéra- ture comprise dans la plage favorable à l'élimination du soufre par la matière d'absorption de soufre Ainsi, la teneur en soufre de l'ensemble des gaz de carneau de l'appareil selon l'invention n'est pas augmentée, mais la température de l'air fourni à la turbine à gaz est sensiblement accrue. Le fonctionnement de l'appareil représenté sur la figure 3 est sensiblement le même que celui de la forme de réalisation de la figure 2, dans la mesure o les élé- ments communs à ces deux formes de réalisation sont utilisés. Cependant, la forme de réalisation de la figure 3 utilise un fluide intermédiaire à haute capacité calorifique qui circule dans les échangeurs de chaleur 31, 34, dans le réservoir 37-et dans la pompe 38 Il est préférable d'uti- liser un métal liquide pour ce fluide intermédiaire Ce dernier est chauffé à une température comprise dans une plage préférée de 870-1040 'C dans l'échangeur 31 de chaleur à combustion augmentée et il transmet cette chaleur à l'air ou à tout autre fluide, par échange de chaleur dans le second échangeur de chaleur 34 Le fluide ainsi chauffé est utilisé pour actionner une turbine L'utilisation d'un fluide intermédiaire de grande capacité calorifique permet de réduire considérablement la dimension de l'échangeur de chaleur-31 et d'utiliser un échangeur de chaleur 34 relati- vement peu volumineux - Il n'est pas essentiel que le combustible supplé- mentaire brûlé dans la chambre de combustion selon l'inven- tion soit introduit en ce point Le combustible supplémen- taire peut être constitué de particules combustibles carbonées entraînées par les solides en circulation provenant de l'unité de combustion à lit fluidisé. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de chauffage d':n fluide par la com- bustion d'un combustible carboné contenant du soufre ainsi que des particules de matière d'absorption du soufre, à une température supérieure à la plage de températures dans laquelle la matière d'absorption du soufre élimine efficace- ment, par absorption, le soufre du combustible carboné sans accroître la teneur en soufre des produits gazeux de com- bustion, au-delà de la teneur associée à ladite plage de températures, caractérisé en ce qu'il consiste à faire brûler le combustible carboné contenant du soufre avec les particules de matière d'absorption de soufre dans un lit fluidisé, dans ladite plage de températures, à en aspirer les produits gazeux de combustion, à faire circuler les solides du lit fluidisé à travers une zone ( 19) d'augmenta- tion de combustion utilisée en tandem avec une zone ( 24)- d'échange de chaleur, de manière que les solides du lit fluidisé échangent de la chaleur, dans cette zone d'échange de chaleur, avec le fluide à chauffer et qu'ils soient renvoyés au lit fluidisé, à introduire un combustible dans la zone d'augmentation de combustion et à faire brûler ce combustible dans cette zone pour élever au-dessus de ladite plage la température des solides du lit fluidisé en circu- lation et, par conséquent, élever au-dessus de ladite plage la température du fluide chauffé par les solides dans la zone d'échange de chaleur, à aspirer de la zone d'aug- mentation de combustion les produits gazeux de combustion ainsi produits, et à les renvoyer vers le lit fluidisé. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible introduit dans la zone d'augmenta- tion de combustion y est injecté. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible introduit dans la zone d'augmenta- tion de combustion est un combustible carboné entraîné, depuis le lit fluidisé, par les solides de ce lit fluidisé. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un gaz de fluidisation est introduit dans la zone d'augmentation de combustion. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière d'absorption du soufre est du calcaire et la plage de températures est maintenue, dans le lit fluidisé, à environ 790-930 'C. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la température est maintenue dans la zone d'augmen- tation de combustion à une valeur comprise entre environ 670 et 1040 a C 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est un gaz. 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est un premier fluide, la zone d'échange de chaleur est une première zone d'échange de chaleur et le premier fluide chauffé, provenant de la première zone d'échange de chaleur, est mis en circulation à travers une seconde zone ( 34) d'échange de chaleur afin d'élever la température d'un second fluide passant dans cette seconde zone. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le premier fluide est un fluide à haute capacité calorifique. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le fluide à haute capacité calorifique est un métal fondu. 11 Appareil de chauffage d'un fluide par combus- tion d'un combustible carboné contenant du soufre ainsi que des particules de matière d'absorption de soufre, dans une unité ( 11) de combustion à lit fluidisé, et circulation de solides du lit fluidisé de l'unité ( 11) de combustion à travers un échangeur de chaleur ( 24) extérieur à cette unité, afin de chauffer un fluide passant dans cet échangeur, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte une chambre ( 19) d'augmentation de combustion extérieure à l'unité de combustion et branchée afin de recevoir, de l'unité de com- bustion, des solides chauffés du lit fluidisé et de les diriger vers un échangeur de chaleur ( 24), un élément ( 22) destiné à introduire un combustible dans la chambre d'augmen- tation de combustion et à le brûler dans cette chambre afin d'élever la température des solides du lit fluidisé s'y trouvant,au-dessus de la plage de températures dans laquelle -la matière d'absorption du soufre réalise efficacement une désulfuration, afin que les solides du lit fluidisé prove- nant de la chambre d'augmentation de combustion élèvent la température du fluide de façon correspondante dans l'échangeur de chaleur, et un élément ( 30) destiné à ren- voyer les produits gazeux de combustion, produits dans la chambre d'augmentation de combustion, vers l'unité de combustion de manière que ces produits de combustion soient refroidis, dans ladite unité de combustion, à une tempéra- ture comprise dans ladite plage de températures et qu'ils y soient désulfurés. 12 Appareil selon la revendication 11, carac- térisé en ce que les solides du lit fluidisé circulent dans des tubes ( 25) de l'échangeur de chaleur et en ce que le fluide circule autour de ces tubes. 13 Appareil selon la revendication 11, carac- térisé en ce que le fluide circule dans les tubes ( 32) de l'échangeur de chaleur ( 31) et en ce que les solides du lit fluidisé circulent autour de ces tubes. 14 Appareil selon la revendication 13, carac- térisé en ce que la chambre d'augmentation de combustion est réalisée d'une seule pièce avec l'échangeur de chaleur. 15 Appareil selon la revendication 14, carac- térisé en ce que le fluide est un premier fluide et en ce qu'il comporte un second échangeur de chaleur ( 34) et un élément ( 28) destiné à faire circuler le premier fluide à travers le second échangeur de chaleur, en relation d'échange de chaleur avec un second fluide, afin d'élever la température de ce dernier.