Brevet FR2553497A1 — publié le 19850419

Procédé pour brûler du combustible en lit fluidisé La présente invention concerne le brûlage et la désulfuration de combustible, en particulier de charbon, en utilisant des br Qleurs à lit fluidisé. Un certain art antérieur associé est contenu dans 5 le brevet US n 4 135 885 concernant le brûlage et la désulfuration du charbon, et dont le contenu est incorporé ici par référence Les brevets US n Q 4 279 207, 4 279 205 et 4 303 023 concernent également l'art antérieur, et la totalité de leurs contenus est incorporée 10 ici par référence. J'ai découvert que le contrôle de la combustion pouvait être réalisé avantageusement, avec une fourchette d'augmentation et de diminution grandement améliorée, ainsi qu'avec une vitesse d'augmentation et de diminution 15 tout à fait accrue, tout en maintenant les températures du lit de combustion très proches de leurs valeurs donnant un rendement optimal, en utilisant au moins un paramètre variable du processus de brûlage comme commande d'au moins un autre paramètre variable du processus de brûlage. 20 Dans une forme de réalisation préférée, la pression de vapeur commande le volume d'air primaire introduit, le volume de l'air primaire introduit commande la quantité de charbon introduite, la température du lit commande le niveau des solides du lit par rapport aux tubes de vapeur, 25 la température du lit de sulfuration commande l'alimentation en air secondaire, et un détecteur de dioxyde de soufre permet la commande de la proportion de pierre à chaux par rapport au charbon. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, faite en référence au dessin annexé, sur lequel la figure unique est une vue schématique, principalement en coupe, d'une forme de réalisation préférée de l'invention. -2 Tout d'abord est décrite la structure de la forme de réalisation de la figure. Sur la figure est schématiquement représenté un brûleur désulfureur à trois lits intégralement fluidisés, globalement indiqué en 200 Un carter métallique 202 entoure des couches 204 et 206 de réfractaire de densité faible et élevée, respectivement, destinées à entourer l'unité toute entière, qui repose sur des supports 208. Des plaques de distribution métalliques 210, 212 et 214 s'étendent en travers de l'intérieur du carter pour définir respectivement les fonds de trois lits fluidisés: un lit inférieur pour l'accumulation de sable, un lit de brûleur intermédiaire et un lit de désulfuration supérieur. Le lit inférieur pour l'accumulation de sable comporte, au-dessous de lui, une chambre de distribution alimentée par une boite à vent 216, à travers laquelle l'air de fluidisation entre dans le lit par au-dessous de la plaque de distribution 210 Plusieurs tuyères à chapeau 218 s'é20 tendent à travers la plaque 210 (au-dessus de laquelle s'étend une plaque isolante, non représentée, afin d'éviter les points chauds), qui est maintenue en place par des joints de dilatation 219 Au-dessus des tuyères 218 s'étend à travers la paroi du carter un tuyau 220 d'é25 vacuation des cendres grossières, qui évacue vers une trémie à sac de réception les matières du lit en excès. Le lit de combustion intermédiaire comporte au-dessous de lui une chambre de distribution 222 destinée à amener de l'air de fluidisation pour la combustion dans le lit intermédiaire Plusieurs tuyères à chapeau 224 s'étendent à travers la plaque de distribution 212 et à travers une chemise à eau 225, qui sert à refroidir la plaque 212 pour l'empêcher de se gauchir Une couche d'isolant 228 repose sur la plaque 212 et entoure chacune des tuyères 224, et une couche de pierre 230 (en réalité un mélange de particules de quartz grossier ayant des diamètres compris entre 10 et 25 mm ( 3/8 de pouce et 1 pouce)) recouvre l'isolant 228 Une couche d'isolant similaire 229 est fixée 5 (par des moyens non représentés) au fond de la chemise à eau 225 L'isolant sert de barrière aux pertes de chaleur vers l'eau située dans la chemise 225 Au-dessus des tuyères à chapeau 224 s'étend un tuyau d'amenée de charbon 232 qui dépose le charbon au fond du lit de combustion, 10 juste au-dessus des tuyères à chapeau 224 Une amenée du charbon au-dessous eu lit permet d'utiliser dans l'alimentation des fines qui, dans le cas d'une alimentation au- dessus du lit, seraient soufflées hors du lit sans brûler Une alimentation par le dessus du lit rendrait également diffi15 cile l'opération du lit dans des conditions autres que la pleine charge, c'est- à-dire avec du sable recouvrant le sommet des tubes de vapeur 234 Pour des niveaux de sable inférieursl dans le cas d'une alimentation par le dessus du lit, le charbon tomberait sur les tubes de vapeur,et une agglomération de charbon non brûlé ne tarderait pas à s'accumuler L'impossibilité d'opérer à des niveaux de sable réduits dans le lit intermédiaire interdirait l'utilisation des procédés préférés d'augmentation et de diminution de la charge tels que décrits plus loin. Des tubes de vapeur 234 s'étendent au-dessus du tuyau 232 et transversalement au lit de combustion, et sont montés à leurs extrémités dans des feuilles de tubes 235 (dont une est représentée en traits pointillés) qui définissent des tubulures pour l'introduction d'eau dans les tubes et pour 30 en retirer l'eau et la vapeur Les tubes 234 sont espacés et occupent 25 % du volume du carter dans la région qui s'étend entre la rangée supérieure et la rangée inférieure de tubes. Le lit de désulfuration supérieur comporte au-dessous 35 de lui un tuyau d'air secondaire 236 muni d'ouvertures, qui comporte deux rangées de trous 238 inclinés de 30 vers le bas de manière à répartir l'air secondaire audessous du lit supérieur, et une troisième rangée de trous 240 située au fond du tuyau, destinée à expulser par soufflage toute particule qui pourrait être entrée dans le tuyau Au-dessus du tuyau 236 est prévue une chemise à eau 242 qui sert à refroidir la plaque de distribution 214 et l'empêcher de se gauchir Des panneaux 244 (un seul représenté) servent à maintenir la vitesse 10 de circulation de l'eau de refroidissement suffisamment élevée pour éviter, la présence de points chauds localisés pouvant entrainer des dommages Plusieurs tuyères à chapeau 246 s'étendent à travers la chemise 242 et à travers la plaque 214 Une couche d'isolant 248 repose 1 sur la plaque 214 et entoure chacune des tuyères 246, et 15 une couche de pierres 250 (de même matière que les pierres 230) recouvre l'isolant 248 et les tuyères 246 Une couche d'isolant similaire 249 est fixée au fond de la chemise à eau 242 L'isolant a le même objet que celui du 20 distributeur et de la chemise à eau du lit intermédiaire. L'objet des pierres 250 est de permettre aux gaz d'émerger des tuyères à chapeau 246 en se dispersant latéralement au-dessus du distributeur, pour leur permettre d'émerger dans le lit supérieur à une vitesse suffisamment faible 25 pour éviter l'agitation des particules de pierre à chaux. Au-dessus du lit supérieur sont prévues trois rangées de tubes 252 destinés à dévier les particules pour les ramener dans le lit Chacun des tubes de la rangée médiane est positionné directement au-dessus d'un tube correspon30 dant de la rangée inférieure, mais chacun des tubes de la rangée supérieure est positionné à la verticale du milieu de chaque paire de tubes adjacents des deux rangées inférieures Cette disposition permet d'éviter qu'une ligne d'observation ne puisse traverser les tubes, et ce quel que soit l'angle, de sorte que toute particule qui est éjectée du lit entrera fermement en contact avec l'un des tubes avant de quitter le lit, pour ainsi réduire sa vitesse et sa probabilité de heurter la parai Un banc de tubes analogue pourra avantageusement être placé au-dessus du second lit, c'est-à-dire le lit de combxstion. Les tubes 252 sont supportés à proximité de lesrs extrémités et en des positions espacées le long de oeu-ci par des feuilles 254 pourvues d'ouvertures (une seu L représen10 tée) qui sont el Ies-nemes supportées par des tiges 256 à partir du carter 2 D 2 Au-de Ssus ds tubes 252 s'entendn un tuyau 258 d'amenée de pierre à claux:,, qui dépose le piarre à chaux dans le lit dedésnu Jfura-tion, Jusqu'à un niveau situé juste au-dessus de la;rangée supérieure de tubes 252. 15 La pierre à chaux tombe d raccrd de sortie en T 259 du tuyau 258 à travers un passage ( vers une cheminée. L'ensemble de remontée 264 et l'ensemble de descente 266 permettent à la matière du lit d'être déplacée du lit inférieur vers le lit intermédiaire, et vice-versa, pour le préchauffage et l'extinction (qui seront envisagés plus en détail par la suite) L'ensemble de remontée 264 comprend une tuyauterie de remontée 268 qui, lorsque la porte 270 est ouverte par l'actionneur 272 (représenté en traits pointillés car il est monté à l'extérieur du carter), permet à la matière de lit d'être extraite du lit inférieur et soufflée par de l'air comprimé du tube 274 vers le lit intermédiaire en passant par la porte 276, qui est maintenue fermée par gravité pour empêcher le remplissage de la tuyauterie de remontée par la matière de lit lorsqu'elle n'est pas en utilisation, mais qui s'ouvre en réponse au forçage 10 vers le haut de la matière du lit à par-tir du lit inférieur. Le niveau normal de la matière du lit pour faire fonctionner le brûleur à 100 % de sa capacité est situé juste au-dessus des tubes de vapeur les plus hauts, comme le montre la figure Des raccords en T 278 et 279 sont utilisés lorsque 15 la matière du lit change brusquement de direction, afin de diminuer l'usure de la tuyauterie à cet endroit. L'ensemble de descente 266 comprend une tuyauterie de descente 280 qui, lorsque la porte 282 est ouverte par un actionneur 284 (représenté en traits pointillés car il 20 est monté à l'extérieur du carter), permet à la matière du lit qui a pénétré dans la tuyauterie à partir du lit intermédiaire d'être avancée à l'aide d'une vis d'Archimède dans le lit inférieur En opération normale, la tuyauterie de descente 280 devra être remplie de matière du lit pour tenir lieu de barrière à la pression, afin que l'air provenarin de la chambre de distribution 227 ne soit pas apte à empêcher la descente de la matière du lit le long de la tuyauterie Un raccord en T 281 est mis en place là o la matière du lit change brusquement de direction. Le fonctionnement est le suivant Du sable d'un calibre approximatif de 20 ( 850 p) est amené de manière à remplir le lit intermédiaire jusqu'à une profondeur d'environ 30 cm (I 1,5 pouces) De la pierre à chaux de type 1360 broyée de manière à présenter un diamètre de particule moyen de calibre 20 ( 850 p) est amenée à travers le tuyau d'alimentati J: -7 258 pour remplir le lit supérieur jusqu'à une profondeur d'environ 15 cm ( 6 pouces). La mise en route d'un brûleur froid nécessite le préchauffage suivant:de l'air de fluidisation est fourni par 5 une soufflerie (non représentée) à travers la boite à vent 216, et le lit intermédiaire, en supposant qu'il ait été préalablement rempli de matériau de lit, est vidé via l'ensemble de descente 266 jusqu'à ce que le niveau du lit soit situé au-dessousde l'accès vers la descente, de sorte que 10 les tubes de vapeur 234 ne sont plus recouverts par la matière du lit L'épaisseur de la matière restante est d'environ 15 cm ( 6 pouces) L'air provenant de la boite à vent 216 et traversant les tuyères à chapeau 218 agit pour disperser la matière du lit déposé par la descente, et dirigé à travers le lit d'accumulation lorsque la descente ou la remontée est en opération, pour maintenir uniformément dispersée la matière du lit inférieur Lorsque le niveau du lit intermédiaire est ramené à 15 cm, l'arrivée d'air de fluidisation est interrompue La pompe de mise en circulation de l'eau destinée à pomper l'eau à travers les tubes 234 est mise en route Une unité de préchauffage 223, qui est espacée au-dessous du distributeur 212 pour assurer un chauffage uniforme du lit intermédiaire, est alors mise en route Les flammes engendrées dans le brûleur de pré25 chauffage sont refroidies à environ 930 C ( 1700 F) par l'air secondaire avant d'émerger du brûleur, afin d'éviter la surchauffe des tuyères à chapeau 224 Les gaz chauds émergeant du brûleur de préchauffage 223 chauffent la matière située dans le lit intermédiaire à environ 540 C ( 10000 F) en envirrm 30 une heure, à la suite de quoi du charbon est ajouté pendant une minute avec fluidisation (pour encore aider au préchauffage), à la suite de quoi le préchauffage est poursuivi pendant environ 15 minutes, jusqu'à ce que le lit atteigne la température d'environ 730 C ( 1350 F) Du fait que les tubes de vapeur ne sont pas en contact avec la matière du lit intermédiaire, ils ne captent pas de chaleur à partir de la matière et, du fait que la matière du lit est chauffée alors qu'elle n'est pas fluidisée (comme par exemple pour un lit fixe), la surface sur laquelle ont lieu les pertes de chaleur à partir du lit est réduite, de sorte que la matière du lit peut être chauffée avec une unité de préchauffage relativement petite. Lorsque le lit intermédiaire a atteint la température 10 de 730 C ( 1350 OF), l'unité de préchauffage au propane est mise hors-service L'air de fluidisation de la combustion provenant de la soufflerie est amené à travers la boite à vent 222 et à travers les tuyères à chapeau 224 pour fluidiser le lit intermédiaire L'air de fluidisation de la 15 combustion est soumis au contrôle d'une vanne (non représentée) pour assurer un écoulement d'air de 0 508 m 3/s par mètre carré de surface du lit, ce qui conduit à une vitesse superficielle d'environ 2,3 m/s dans le lit supérieur à 840 C ( 1550 F) La vis d'avance du charbon et le 20 compresseur d'air de transport (non représenté) amenant de l'air au bac à charbon au niveau du tuyau d'entrée et à la sortie du dispositif d'avance rotatif (non représenté) de la pierre à chaux sont alors mis en route, et le charbon est avancé à partir d'une trémie (non représentée) en 25 traversant une vis d'Archimède, un sécheur, un broyeur, un clapet d'air rotatif et un bac à charbon (aucun représenté), et vers le lit intermédiaire via le tuyau 232 Le charbon se mélange avec la matière chaude du lit et brûle. La fluidisation amène le charbon à être réparti en s'éloi30 gnant du tuyau d'alimentation en charbon et à se mélanger sur toute l'étendue du lit La chaleur libérée du charbon pendant qu'il br Ole chauffe le lit jusqu'à ce que le lit intermédiaire s'approche de la température souhaitée de 980 C ( 1800 F). _ 9 Un capteur de la pression de vapeur à la sortie commune des tubes de vapeur 234 commande un volet (non représenté) qui régule la quantité d'air primaire introduite par la chambre de distribution 222 Si le capteur demande une pression supérieure à la pression existante, ledit volet est ouvert proportionnellement pour introduire davantage d'air primaire à travers la chambre de distribution 222 et les tuyères à chapeau 224 Ceci a pour effet de projeter davantage de solides contre les tubes de vapeur 234, pour faciliter une augmentation de l'échange de cha leur. Simultanément, par l'intermédiaire d'une seconde boucle de commande, un détecteur d'oxygène placé dans le tas (non représenté) augmente l'amenée de charbon propor15 tionnellement à l'augmentation de l'arrivée d'air, de sorte que l'air en excès est maintenu en une quantité efficace constante (par exemple de 20 %). Chacune des modifications effectuées par les deux boucles de commande décrites ci-dessus est virtuellement 20 instantanée. Dans une autre boucle est prévu un capteur de la température du lit de combustion Si la température monte excessivement, pour indiquer un transfert de chaleur solides-tubes de vapeur inadéquat, ce capteur de température agit pour provoquer un mouvement des solides dans la région, afin d'augmenterla quantité de solides prêts à être projetés contre les tubes de vapeur. Enfin sont prévues deux boucles auxiliaires. Dans l'une des bouches auxiliaires, un thermocouple 30 placé dans le lit supérieur commande une vanne (non représentée) qui régule la quantité d'air secondaire introduite par le tuyau 236, afin de contrôler la température du lit supérieur pour qu'elle soit inférieure à celle du lit intermédiaire. Dans l'autre boucle auxiliaire, un détecteur de dioxyde de soufre situé dans le tas rend possible de faire -10 correspondre le rapport pierre à chaux/charbon à une valeur précédemment calculée souhaitée pour maintenir à des valeurs souhaitées certains paramètres du système. Enfin d'autres formes de réalisation apparaîtront à l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, l'organisation des boucles pourra être modifiée de manière à détecter d'autres paramètres de combustion et à contrôler à partir de ces détections d'autres paramètres de combustion. -11 REVENDICATIONS 1 Procédé pour brûler du charbon, caractérisé en ce que l'on détecte au moins un paramètre variable de combustion pour ainsi commander au moins un autre paramètre variable de combustion. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détecte la pression de vapeur dans un tube de vapeur, et on commande ainsi le débit de l'écoulement d'air à travers la région de combustion-d'un lit fluidisé dans lequel s'étend ledit tube de vapeur. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un détecteur d'oxygène est placé dans le tas et régule l'alimentation en charbon par rapport à l'alimentation en air, de manière à maintenir en excès une quantité d'air prédéterminée. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un capteur de température du lit de combustion régule le niveau des solides dans ladite région de combustion. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un capteur de température situé dans le lit supérieur 20 régule le débit d'écoulement de l'air secondaire. 6 Procédé selon la revendication 2,caractérisé en ce qu'un détecteur de dioxyde de soufre est prévu dans le tas.