Brevet FR2564747A1 — publié le 19851129

La présente invention se réfère à un procédé pour contr8ler le fonctionnement d'un réacteur à lit fluidisé dans lequel des particules solides sont séparées des gaz quittant la partie supérieure du réacteur et qui sont recyclées dans la partie inférieure du réacteur. L'invention con- cerne également des moyens pour la mise en oeuvre du procédé selon l'inven- tion. Le contr8le de la température de la chambre de combustion afin d'obtenir une combustion optimale est particulièrement important dans le cas o l'on fait brûler différents types de carburant ayant des valeurs calorifiques différentes dans la même chambre de combustion. Afin d'atteindre une absorption optimale de soufre, la température doit rester comprise entre 800 et 950 C. Il n'est pas facile de contr8ler.la tempéra- ture par les moyens connus si la valeur calorifique du carburant ou de la charge de la chaudière varie de façon importante. La présente invention a pour but de permettre le contr8le de la température de combustion du lit fluidisé de telle façon qu'elle reste à un niveau prédéterminé indépendamment des changements de charge du réac- teur ou de la valeur calorifique du carburant. Dans les procédés connus la température est contr8lée: - en faisant varier la quantité d'air en excès - en faisant recirculer les gaz de fumée dans le réacteur - en modifiant la densité de la suspension dans la chambre de combustion - en divisant le lit en compartiments fonctionnels séparés - en refroidissant une partie de la matière du lit au moyen d'un échangeur de chaleur annexe. L'abaissement de la température de combustion en augmentant la quantité d'air en excès diminue l'efficacité du réacteur car les pertes de gaz de fumée et l'appel de puissance des souffleurs d'air augmentent. Dans l'hypothèse o la température de combustion d'un réacteur à lit fluidisé est contr8lée en recyclant les gaz de fumée dans le réacteur, comme c'est le cas de la demande de brevet anglais n 2 030 689, l'appel de puissance total de la chaudière augmente en raison d'un plus grand dé- bit de gaz et de ce fait les frais d'investissement et d'exploitation augmentent. Une modification de la densité de la suspension affecte le transfert de chaleur aux surfacesde refroidissement dans la chaudière et 2 - de la même façon également la température de la chambre de combustion. La densité de la suspension peut être modifiée comme décrit dans le brevet américain n 4 165 717 en changeant la proportion et les quantités de l'air primaire et de l'air secondaire. Le domaine de correction est cependant limité car un changement de la proportion de l'air primaire et de l'air secondaire affecte également les paramètres du procédé autres que la tem- pérature. Le contr8le de la température de combustion par refroidisse- ment de la matière du lit dans un échangeur de chaleur externe, tel que décrit dans le brevet américain n 4 111 158 est un procédé complexe diffi- cile à contr8ler. Cette façon de contr8ler la température requiert des frais d'investissement et d'exploitation plus élevés car un lit fluidisé séparé équipé de surfaces de refroidissement est nécessaire à c6té du réacteur à lit recyclé. Par le brevet américain n 4 240 377 on connatt un procédé pour le contr6le de la température d'un réacteur à lit fluidisé dans lequel une partie de la matière du lit au-dessus de la grille est mise dans un mouvement ascendant à travers l'échangeur de chaleur à partir duquel elle est retournée vers le lit. Ce procédé exige également des frais d'inves- tissement et d'exploitation supplémentaires. Le contr$le de la température de combustion en inactivant une partie du lit s'est révélé difficile car il provoque par exemple, comme décrit dans le brevet américain 3 970 011, des phénomènes d'érosion par la chaleur sur les surfaces de transfert de chaleur du lit et un frittage de la matière du lit. Le procédé selon la présente invention est caractérisé en ce que les solides sont efroidis en dirigeant les solides à recycler dans le réacteur à travers des conduits de retour dont au moins certains sont refroidis et en ce que l'effet de refroidissement est obtenu en contrôlant les quantités de solides passant dans les conduits de retour. Lorsque certains des conduits de retour sont fermés, les soli- des retournant à la chambre de combustion sont plus chauds et la tempéra- ture de la chambre de combustion augmente si les autres paramètres du pro- cédé sont maintenus sans changement. Dans le cas o on ouvre davantage de conduits de retour refroi- dis, les solides retournent à la chambre de combustion plus froids et la 3- température de la chambre de combustion décroît. Les avantages de l'invention sont notamment: - la mise en oeuvre de l'invention ne requiert ni plus de place, ni plus de frais d'investissement et d'exploitation - la construction est simple et fiable - le contr8le du fonctionnement est simple - le domaine de correction est plus large. L'invention sera décrite plus en détail ci-après avec réfé- rence aux dessins joints, dans lesquels la figure 1 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'une forme de réalisation de l'invention, la figure 2 représente une vue en coupe transversale selon la ligne A-A de la figure 1, la figure 3 représente une autre forme de réalisation de l'invention, la figure 4 représente une vue en coupe transversale selon la ligne B-B de la figure 3, la figure 5 représente une autre forme de réalisation de l'invention et, la figure 6 représente une vue en coupe transversale selon la ligne C-C de la figure 5. La chaudière représentée dans les figures 1 et 2 comprend une chambre de combustion 5 délimitée par quatre parois formées par les con- duits soudés ensemble de façon connue. Les conduits forment des surfaces de transfert de chaleur de la chaudière' et ils sont reliés au système de circulation de la chaudière d'une façon qui n'a pas besoin d'être décrite en détail. Un conduit d'alimentation en mazout 6 se trouve dans la par- tie inférieure de la chambre de combustion. Il y a aussi un conduit 7 d'ali- mentation en gaz primaire et un conduit 8 d'alimentation en gaz secondaire. Un séparateur à cyclonelDrizontâl9 est formé au-dessus de la chambre de combustion. Le séparateur à cyclone est formé par des parois avant et arrière 1 et 3 de la chambre de combustion et par une paroi de conduit 10 parallèle à la paroi arrière 3. La paroi avant 1 et la paroi 10 sont courbées l'une vers l'autre et reliées ensemble de manière à former une partie supérieure cylindrique 11 du séparateur. La paroi arrière 3 de la chambre de combustion a d'abord été courbée vers la paroi avant, de ma- nière à former un plafond 12 pour la chambre de combustion et se prolonge -4 - ensuite parallèlement à la partie cylindrique de la paroi avant de manière à former les parois intérieure et extérieure 14 et 15 du conduit d'entrée de gaz 13 du séparateur. La paroi arrière 3 de la chambre de combustion et la paroi 10 s'étendant parallèlement à la précédente, forment deux parois fonctionnant comme surfaces de transfert de chaleur pour les conduits de retour 16 re- liant le séparateur à la partie inférieure de la chambre de combustion. Les conduits de retour sont séparés entre eux par une cloison de sépara- tion 17 en unités fonctionnant en parallèle. Une ouverture d'évacuation de gaz 19 est disposée dans les parois extrêmes 18 du séparateur. Les gaz de cheminée contenant des solides quittant la chambre de combustion sont diri- gés vers une chambre à turbulence 20 dans le séparateur à travers un con- duit d'entrée de gaz 13 connecté tangentiellement au séparateur. Les solides qui se concentrent sur la paroi extérieure des chambres à turbulence sont déchargés de la chambre à turbulence par un courant de gaz s'écoulant dans un passage formé entre les parois 3 et 10 et sont retournés à la chambre de combustion à travers les conduits de retour 16. Les gaz purifiés sont évacués à travers les ouvertures 19 dans les parois extrêmes de la chambre à turbulence. Un conduit de retour forme à sa partie inférieure une chambre de fluidisation 22 en forme de U dans laquelle l'air de fluidisation peut être introduit à travers un tuyau 23. Si de l'air n'est pas introduit dans la chambre de fluidisation elle fonctionne comme un verrou et le conduit de retour en question est rempli et les solides à recycler dans le réac- teur s'écoulent à travers d'autres conduits de retour. Le courant de so- lides s'écoulant à travers un conduit de retour peut de ce fait être con- tr6lé en modifiant la quantité d'air au moyen d'une valve 24 montée sur la chambre 22. De cette façon on obtient que différentes quantités de so- lides s'écoulent à travers différents conduits de retour. Si certains des conduits de retour sont maintenus fermés, une partie des solides circulant dans le réacteur est stockée dans ces conduits. Les solides stockés dans le conduit de retour peuvent être recyclés d'une façon contr8lée en ajus- tant un courant d'air vers la chambre de fluidisation. De cette façon la densité de la suspension des fluides dans la chambre de combustion peut être influencée et de ce fait également le transfert de chaleur vers les surfaces de transfert de chaleur de la chambre de combustion. -5- Compte tenu du fait que les solides s'écoulent grace à leur poids mort et grâce au transport par un courant de gaz vers le bas dans le conduit de retour, de faibles quantités d'air seulement sont né- cessaires pour garder le conduit de retour ouvert. Dans une autre forme de réalisation représentée dans les figures 3 et 4, une plaque de retenue (soupape à clapet) 122 est disposée dans l'extrémité supérieure de chaque conduit de retour dans le séparateur 109, et au moyen de cette plaque la quantité de solides s'écoulant à tra- vers le conduit de retour peut être contr8lée et aussi le courant peut être entièrement coupé. A partir de l'extrémité inférieure du conduit de retour les solides s'écoulent librement vers le réacteur. Par ailleurs la construction du réacteur correspond aux figures 1 et 2. Le réacteur à lit fluidisé représenté dans les figures 5 et 6 comprend une chambre de combustion 201, dont la partie supérieure 202 est connectée à un séparateur à cyclone 203 pourvu d'un conduit d'évacua- tion de gaz 204. Entre le séparateur et le réacteur sont disposés deux conduits de retour 205 et 206 connectés parallèlement, dont les parties supérieures sont reliées à une partie inférieure en forme d'entonnoir du séparateur et leurs parties inférieures sont reliées à un conduit 209 relié à la partie inférieure de la chambre de combustion. Une plaque de retenue (soupape à clapet) 210 est disposée entre la partie inférieure du sépara- teur et les parties supérieures des conduits de retour. Le conduit de retour 205 est en maçonnerie et le conduit de retour 206 est équipé de surfaces de transfert de chaleur internes 215 qui sont connectées de façon en soi connue aux surfaces de transfert de chaleur 216 de la chambre de combustion. Les particules solides séparées des gaz de cheminée retirées du réacteur sont dirigées du séparateur au conduit de retour 205 ou 206, ou au deux, en fonction de la position de la plaque de retenue 210. La fraction des solides s'écoulant à travers le conduit de retour 206 est refroidie en venant indirectement en contact d'échange de chaleur avec un agent de refroidissement (eau) s'écoulant à travers les dispositifs de transfert de chaleur de la chambre de retour. Les solides refroidis recyclés dans le réacteur abaissent la température du processus de combustion. L'invention sera décrite plus en détail dans les exemples non limitatifs ci-après. S64741 -6- Exemple 1 On brûle du charbon, dont la valeur calorifique effective est de 28 MJ/kg dans une chaudière à vapeur selon les figures 1 et 2 dont le rendement nominal s'élève à 65 MW et la température à 880 C. 40 MW de chaleur sont récupérés au moyen des 185 m2 de surfaces chaudes de la chambre de combus- tion et des 120 m2 de surfaces chaudes des six conduits de retour paral- lèles. A un rendement en vapeur d'environ 20 MW, autrement dit, à une charge de 30 Z, on atteint la même température de combustion que pour le rendement nominal en fermant trois conduits de retour. Exemple 2 Dans la même chaudière on brûle de la tourbe dont la valeur calorifique effective est de8MJ/kg et le rendement nominal en vapeur 65 MW. Afin d'a- juster la température de combustion à environ 870 C, l'effet de refroi- dissement des conduits de retour est diminué par la fermeture de-quatre conduits. Tous les solides sont dirigés à travers les deuxième et cin- quième conduits de retour vers le réacteur. De cette façon on récupère MW de chaleur dans le réacteur et les conduits de retour. Exemple 3 Les carburants principaux dans le réacteur à lit fluidisé selon les fi- gures 5 et 6 sont des déchets de bois et du charbon dont les taux d'hu- midité et les valeurs calorifiques sont les suivants: Carburant Déchets de Charbon bois - taux d'humidité en % 50 10 - valeur calorifique en kJ/kg 10 230 27 150 La combustion se déroule à une température de 880 C et avec un excès d'air d'environ 23 %. Les cloisons intermédiaires fonctionnent comme surfaces de transfert de chaleur (env. 100 m2) du réacteur. Au cours de la combustion des déchets de bois, la quantité de chaleur transférée par les surfaces de transfert de chaleur s'élève à 12 MW. Les particules solides en circulation sont séparées dans le cy- clone de maçonnerie et les solides séparés sont recyclés dans la chambre de combustion à environ 880 C à travers le conduit de retour 205. Le -7rendement net total du réacteur y compris la fraction par convection après le réacteur,non représentée dans les figures, est de 29 MWt. En cas de combustion de charbon dans le réacteur avec le mê- me rendement net total de 29 MWt, avec un même excès d'air d'environ 23 % et la même température de gaz de 880 C après le cyclone, la quantité de chaleur transférée par les surfaces de transfert de chaleur du réacteur est de 13,5 MW due à un meilleur transfert de chaleur lorsqu'on brûle du charbon. La matière séparée est recyclée dans le réacteur à travers le conduit refroidi 206 équipé de surfaces de transfert de chaleur d'environ 30 m2, tandis qu'environ 4 MWt, c'est-à-dire environ 14 % du rendement net total de 29 MWt du réacteur, sont transférés aux surfaces de refroi- dissement des conduits de retour. Indépendamment de la meilleure valeur calorifique du charbon, il est possible d'ajuster le réacteur, dont le rendement net total s'élève à 29 MWt, au moyen du procédé décrit à la même température de combustion et au même excès d'air que dans le cas o des déchets de bois sont brûlés. Au moyen d'une technique de l'art antérieur, la température de combustion du réacteur peut être ajustée à environ 880 C au moyen d'un excès d'air d'environ 80 % ce qui fait baisser l'efficacité d'environ 3, 3%. I1 faut en outre tenir compte d'un appel de puissance plus élevé, occa- sionné par le soufflage d'air sous pression élevée dans le réacteur. Cela est à l'origine d'une autre diminution de l'efficacité d'environ 0,7 %, autrement dit, la diminution totale de l'efficacité du réacteur atteint 4%. Un autre procédé pour ajuster la température de combustion à 880 C consiste, comme indiqué ci-dessus, à faire reeirculer les gaz de cheminée dans la chambre de combustion. La mise en recirculation des gaz de cheminée diminue l'efficacité du réacteur d'environ 0,6 % car la souf- flerie pour faire recirculer les gaz de cheminée augmente l'appel de puis- sance. En outre, un équipement complémentaire doit être installé, comme par exemple une soufflerie pour les gaz de cheminée, des conduits de gaz de cheminée, des instruments, etc.. Ces installations conduisent à une augmentation du besoin en capital. Exemple 4 Un réacteur à lit recyclé similaire à celui de l'exemple précédent est utilisé après modification de sorte que les conduits de re- tour comportent environ 70 m2 de surfaces chaudes. En br lant du charbon, la quantité de chaleur transférée par ces surfaces s'élève à 9,4 MW. La 8 - quantité de chaleur transférée par les surfaces de transfert de chaleur du réacteur s'élevant à 15 MW et le rendement fourni par la convection après le réacteur de 16,6 MWt, portent le rendement total net du réacteur de 29 MWt à 41 MWt, en d'autres termes, l'augmentent de 40 %. L'avantage le plus important de cette invention est sa plus grande efficacité quand on brûle du charbon. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation citées dans les exemples mais elle peut être modifiée sans sortir du cadre de l'invention. Il est évident que les conduits de retour peuvent, par exemple, être de tailles différentes ou que les moyens pour contrôler la quantité de solides ne peuvent être prévus que dans certains des conduits de retour. - 9 - REVENDICATIONS 1. Procédé pour contrôler le fonctionnement d'un réacteur à lit fluidisé dans lequel les solides sont séparés des gaz sortant de la partie supérieure du réacteur, ces solides étant recyclés dans la partie inférieure du réacteur, caractérisé en ce que les solides sont refroidis en conduisant les solides à recycler dans le réacteur à travers des conduits de retour dont au moins certains sont refroidis et en ce que l'effet de refroidissement recherché est obtenu grâce au contr8le des quantités de solides s'écoulant à travers les conduits de retour. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effet de refroidissement recherché est obtenu en contrôlant les quantités de solides s'écoulant à travers chacun des conduits de retour refroidis. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la quantité de solides s'écoulant à travers chacun des conduits de retour est contrôlée par l'envoi d'air dans les conduits de retour. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effet de refroidissement recherché est obtenu en conduisant les solides à recycler sélectivement à travers les conduits de retour. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effet de refroidissement est obtenu en ouvrant ou en fermant une partie appropriée des conduits de retour. 6. Réacteur à lit fluidisé présentant une chambre de combustion dont la partie supérieure est connectée à un séparateur pour séparer les solides des gaz sortant du réacteur à lit fluidisé et des moyens pour re- cycler les solides dans le réacteur, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de conduits de retour fonctionnant en parallèle (16, 116, 205, 206) dont au moins certains (16, 116, 206) sont équipés de surfaces de transfert de chaleur (3, 10, 215) et en ce qu'au moins certains de ces moyens (22, 23, 24, 122, 210) sont aménagés pour contr6ler la quantité de solides les parcourant. 7. Réacteur à lit fluidisé selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les moyens (122, 210) pour contr8ler la quantité de solides sont disposés à la partie supérieure des conduits de retour (116, 205, 206). 8. Réacteur à lit fluidisé selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les moyens pour contr8ler la quantité de solides compren- nent une plaque de retenue (122, 210). - 10 - 9. Réacteur & lit fluidisé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les moyens (22, 23, 24) pour contrôler la quantité de solides sont disposés à la partie inférieure des conduits de retour (16). 10. Réacteur à lit fluidisé selon la revendication 9, ca- ractérisé en ce que les moyens pour contrôler la quantité de solides com- prennent une chambre de fluidisation (22) équipée d'une alimentation en air (23, 24).