Brevet FR2563119A1 — publié le 19851025

2S631 19 Procédé de mise en circulation de particules solides à l'intérieur d'une chambre de fluidisation et chambre de fluidisation perfectionniée pour la lui st, en oeuvre (Iu procédé. L'invention a pour objet un procédé de mise en circulation de par- ticules solides à l'intérieur d'une chambre de fluidisation et couvre égale- ment la chambre de fluidisation perfectionnée pour la mise en oeuvre du pro- cédé. On utilise depuis longtemps la technique du lit fluidisé pour la production de chaleur ou, plus généralement le traitement de matières granu- laires se présentant sous forme de particules de dimensions relativement faibles. Le traitement s'effectue à l'intérieur d'une chambre de fluidisa- tion constituée d'une enceinte allongée verticale alimentée en matières so- lides sous forme de particules et à la base de laquelle est injectée un gaz de fluidisation qui circule vers le haut à une vitesse suffisante pour met- tre les particules en suspension, la vitesse limite de fluidisation dépen- dant de la granulométrie et de la densité des particules. En raison du rendement élevé de conversion, on utilise en particu- lier les lits fluidisés pour la combustion ou la gazéification de matières hydrocarbonées comme du charbon, du lignite, du bois, etc.... Si, par exem- ple, le charbon est brûlé dans une chaudière, celle-ci peut être constituée d'une enceinte de grandes dimensions comprenant une partie inférieure dans laquelle se réalise la combustion en lits fluidisés et une partie supérieu- re parcourue par les gaz chauds issus de la combustion et dans laquelle on place un faisceau de tubes d'échange de chaleur. On peut également réaliser en lits fluidisés d'autres traitements et, our:itgllmeil r 1,' renIl,tlnlt (lu traitement effectué, on peut faire circu- ler les gaz à une vitesse importante, par exemple supérieure à 2 m/s Dans ce cas, une proportion importante de particules est entraînée vers le haut avec les gaz et l'on distingue à l'intérieur de la chambre de fluidisation une zone inférieure dense à forte concentration de particules, surmontée d'une zone diluée contenant une proportion importante de particules entrai- nées avec les gaz vers la partie supérieure de la chambre, celle-ci débou- chant dans un circuit d'évacuation des gaz et des particules entrainées. Le circuit d'évacuation passe alors par un dispositif de récupération des par- ticules entraînées, généralement du genre cyclone, qui comprend une sortie supérieure des gaz épurés et une sortie inférieure des particules récupé- rées reliée à la chambre de fluidisation par un circuit de recyclage des particules dans le lit fluidisé. 2S631 19 La plupart des traitements correspondent à des réactions exother- miques et justifient une récupération de la chaleur au moyen d'un échangeur constitué d'un faisceau de tubes parcourus par un fluide caloporteur et pla- cé au contact des gaz chauds et/ou des particules. Dans les chaudières clas- siques en lit fluidisé, la vitesse de circulation du gaz de fluidisation est réglée de telle sorte que seules les cendres fines puissent être entraî- nées avec les gaz. On peut alors placer sans danger l'échangeur de chaleur dans la zone diluée au-dessus du lit fluidisé dense. En revanche, si l'on fonctionne-en lit circulant, et si l'on place un échangeur de chaleur à l'intérieur de la chambre de réaction, dans la zone diluée du lit fluidisé, les particules généralement abrasives entraînées par les gaz dans cette zone entraînent une usure rapide de l'échangeur qui, en ottre, gêne la cir- culation ascendante des gaz et l'entraînement des particules. On peut rédui- re cet inconvénient en utilisant un échangeur tubulaire constitué par exem- ple d'une paroi membranée placée le long de la paroi latérale de l'enceinte dont elle peut d'ailleurs constituer la face interne, celle-ci étant recou- verte extérieurement d'un revêtement réfractaire. Dans ce cas, l'échangeur de chaleur ltne gêne pas la circulation des gaz mais il est également au contact d'une assez faible proportion des particules solides chaudes dont la plus grande partie est entraînée vers le haut dans la partie centrale de l'enceinte et la récupération calorifique est alors assez faible. En outre, la réaction de combustion se poursuit dans la zone di- luée sur une hauteur qui dépend de la qualité et de la granulométrie du com- bustible, compte tenu de la vitesse de fluidisation. L'échangeur de chaleur placé dans cette zone peut y être soumis, de ce fait, à une corrosion exces- sive. C'est pourquoi, lorsque l'on fonctionne en lit circulant, on pré- fère généralement placer l'échangeur de chaleur à l'extérieur de la chambre de fluidisation, par exemple dans le circuit de recyclage des particules. L'invention a pour objet un procédé de mise en circulation des particules à l'intérieur de la chambre de fluidisation permettant d'y effec- tuer dans de bonnes conditions une récupération interne de la chaleur du lit fluidisé. D'autre part, même lorsque l'on ne cherche pas particulièrement à récupérer de la chaleur, le rendement du traitement est lié au temps de pas- sage des particules dans le lit fluidisé et par conséquent à leur vitesse de circulation. Lorsque l'on fonctionne en lit fluidisé, il existe une cer- taine circulation en circuit fermé des particules à l'intérieur de la cham- 25631 19 bre de fluidisation, certaines particules étant rapidement entraînées vers le circuit d'évacuation alors que d'autres retombent dans le lit fluidisé. C'opendanlit, ces mouvemenlts sonti ddsordonnès et l'on n'a pas de moyen de les contrôler dans le but d'améliorer le rendement. L'invention permet au contraire une mise en circulation ordonnée des particules solides à l'intérieur de la chambre de fluidisation permet- tant d'améliorer le rendement du traitement et d'augmenter le taux de rem- plissage de la chambre de fluidisation et par conséquent d'utiliser la capa- cité de celle-ci de façon optimale. En outre, l'invention permet de ménager à l'intérieur de la chambre de fluidisation des zones bien séparées dans lesquelles, d'une façon générale, les particules pourront être soumises à dos traitvmeuLts ou des réacLitois différents. Conformément à l'invention, on détermine, dans la partie supérieu- re de la chambre de fluidisation, une diminution de la vitesse de circula- tion des gaz avant leur évacuation, de façon à réaliser au-dessus de la zone diluée du lit fluidisé, une zone supérieure à plus forte concentration en particules dans laquelle une partie des particules s'échappe du courant gazeux et retombe en pluie le long de la paroi latérale de la chambre en formant une nappe annulaire descendante. Lorsque l'on désire effectuer une récupération interne de cha- leur, on fait descendre la nappe annulaire de particules le long d'un échan- geur de chaleur tubulaire placé à l'intérieur de la chambre de fluidisa- tion, au moins dans la zone diluée du lit fluidisé. Dans un mode de réalisation préférentiel, on détermine la diminu- tion de vitesse du courant gazeux par élargissement de la section transver- sale de passage des gaz, à la partie supérieure de la chambre de fluidisa- tion. De préférence, on fait varier de haut en bas la section transversale de passage des gaz dans la chambre de fluidisation de façon à ménager à l'intérieur de celle-ci une zone inférieure à large section délimitant la partie dense du lit fluidisé, une zone médiane à section rétrécie correspon- dant à la partie diluée et une zone supérieure à section élargie correspon- dant à la partie supérieure concentrée de formation de la nappe annulaire de particules. De préférence, la vitesse de circulation ascendante du cou- rant gazeux.str d1e 6 h 12 m/s dans la partie médiane de la chambre et de 2 à 6 m/s dans la partie supérieure de concentration des particules. L'invention couvre également une chambre de fluidisation perfec- tionnée pour la mise,' oeuvre du procédé et qui est munie à sa partie supé- rieure d'un moyen de diminution de la vitesse de circulation des gaz avant ZS63119 leur (rVzl6CIlit i nle d:la chamll rt' consti t i u dle préfé rence par un élargissement de la section transversale de la chambre à la partie supérieure de celle- ci. I.' iuv,. uon s,1 sra,i;e(x comprise par la (deH1ription fitivate (ld'un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple, en se référant à la figure annexée qui représente schématiquement, en coupe axiale, une cham- bre de fluidisation perfectionnée selon l'invention. La chambre de fluidisation 1 est constituée d'une enceinte verti- cale allongée à la base de laquelle débouche un circuit 2 d'introduction d'un gaz de fluidisation réparti de façon homogène sur toute la section transversale de l'enceinte 1, par exemple au moyen d'une grille de fluidisa- tion 21. Le circuit d'alimentation en gaz 2 est muni-de moyens 22 de régla- ge du débit qui permettent de contrôler la vitesse du courant ascendant de gaz à l'intérieur de l'enceinte 1. Celle-ci contient une matière solide sous forme de particules 3 introduite par un circuit d'alimentation 31. Lorsque la vitesse du courant ascendant de gaz dépasse une vitesse limite dlpl)en(lant d., grain r lomtlrie lmoyonne et de, la densité des particules 3, celles-ci se mettent en suspension pour former un lit fluidisé. Selon un mo- de de fonctionnement connu, la vitesse de circulation des gaz est suffisan- te pour que le lit fluidisé soit de type circulant. Dans ce cas, les parti- cules les plus grosses 32 sont simplement soulevées par les gaz mais la plus grande partie 33 des particules, de granulométrie moyenne et fine, est susceptible d'être entraînée vers le haut par le courant ascendant de gaz. On distingue alors à l'intérieur de l'enceinte 1 une zone dense A contenant une forte concentration de particules solides et une zone diluée B conte- nlant sue pr.)portitn plus flaible vnais non négligeable de particules solides entraînées avec les gaz. A sa partie supérieure, l'enceinte 1 débouche dans un circuit 4 d'évacuation des gaz et des particules entratnées qui passent par un dispositif 41 de récupération des particules constitué par exemple d'un ou plusieurs cylones comportant une sortie supérieure 42 des gaz épu- rés et une sortie inférieure 43 débouchant dans une conduite de sortie 44 qui alimente un circuit 45 de recyclage des particules récupères dans le lit fluidisé et peut comporter une branche 46 d'évacuation d'une partie des particules pour une autre utilisation. Pour récupérer la chaleur interne des particules, dans le cas o cellesci sont soumises à une réaction exothermique, il est intéressant de les faire passer par un échangeur de chaleur 47 qui peut être placé sur le 25631 19 circuit de recyclage 45 ou bien, comme on l'a représenté sur la figure, sur la branche de dérivation 46. Comme on le fait habituellement lorsque l'on fonctionne à des vitesses de fluidisation faibles, un échangeur tubulaire 5 est placé dans la zone diluée B du lit fluidisé et peut constituer la paroi interne de la chambre de fluidisation 1. Selon la caractéristique essentielle de l'invention, on détermine une diminution de la vitesse de circulation du courant gazeux dans la par- tie supérieure de l'enceinte 1, avant l'évacuation des gaz par la conduite 4. A cet effet, la partie supérieure 12 de l'enceinte 1 a une section élar- gie et se raccorde à la paroi latérale Il par une paroi tronconique 13 de façon à former, au-dessus de la zone diluée B du lit fluidisé, une zone su- périeure C dans laquelle la vitesse de circulation des gaz est moins forte, ce qui entraîne une augmentation de la concentration en particules. Dans cette zone concentrée C, une partie (35) des particules, notamment les plus lourdes, a tendance à s'échapper du courant gazeux, en particulier le long de la paroi latérale 12 o la vitesse est encore limitée. Il se forme ainsi let long de la paroi latérale 12 une couche concentrée de particules (35) qui diminuent de vitesse puis redescendent vers le bas et tombent dans la zone diluée B en formant une nappe annulaire 34 descendant en pluie le long d.' l ':chi:i..r iul'ilair. 5 pour rtve nir dans;.la zone dene A du lit fluidi- sé..La p;eTit do la paroi de raccordement 13 est adaptée à la granulométrie des particules et au degré de recirculation désiré. De la sorte, l'échangeur de chaleur 5 est mis au contact d'une couche dense de particules se renouvelant continuellement et qui, jusqu'à leur arrivée l1- long de l'échangeur, restent à la température élevée ré- gnant dans l'ensemble de l'enceinte 1. On sait en effet que, dans un fonc- tionnement en lit circulant, l'ensemble de la chambre de fluidisation se trouve Sensiblement à la même température. Ce mouvement descendant régulier des particules le long de l'échangeur soumet celui-ci à une usure plus ré- duite que les mouvements désordonnés des particules montant dans la partie centrale de l'enceinte 1, l'échangeur 5 étant, d'ailleurs, protégé des im- pacts de particules provenant de la partie centrale par la nappe 34, relati- vement dense, de particules descendantes. tout. ll'' I. li '.)", 1 peul env i viagr de placer dnllt la zo, 111i- péri:ure C d la cliamibre I des échangeurs de chaleur 52 qui, grâce à la di- minution de vitesse produite dans cette zone, seront protégés des impacts de particules à grande vitesse provenant de la zone diluée B et amortis par l'augmentation de concentration des particules produites dans la zone C. Grâce ' ces disposition.;, la chambre de fluidisation est divisée en trois zones: la zone inférieure dense A dans laquelle se produit la com- bustion, la zone diluée B o se réalise l'échange de chaleur et la zone su- périeure C, à plus forte concentration dans laquelle se forme la nappe des- cendante 34 et o peut également se produire un transfert de chaleur. Ainsi, même dans un fonctionnement en lit circulant, il est possi- ble de réaliser la combustion et l'échange de chaleur à l'intérieur même de la chambre de réaction, donc avec le meilleur rendement mais dans des zones bien séparées, ce qui permet de diminuer le risque d'usure et de corrosion des échangeurs de chaleur. En effet, même si la combustion se poursuit encore dans la zone diluée B, en particulier dans un lit circulant, l'échan- geur de chaleur 5 qui s'y trouve est protégé non seulement des impacts de particules mais 6'al,,ment des effets corrosifs de la combustion par la nap- pe dense 34 d. particules qui descendent. D'autre part, la hauteur de la zone B peut être déterminée en fonction de la qualité et de la granulomé- trie des particules et de la vitesse de fluidisation de façoh que la combus- tion soit pratiquement achevde à l'entrée dans la zone supérieure C. Pour augmenter l'effet de séparation des zones, il est avantageux de donner à la chambre de fluidisation la forme représentée sur la figure, qui comprend une section transversale large à la partie inférieure 10 puis se rétrécissant dans la partie médiane 11 pour s'élargir de nouveau à la partie supérieure 12. On délimite ainsi de façon relativement précise les trois zones superposées du lit fluidisé, l'augmentation de vitesse dans la zone médiane étant produite par le rétrécissement de la section de passage des gaz et, éventuellement, l'injection d'un agent de fluidisation. Cette séparation nette entre la zone inférieure A de combustion et la zone supé- rieure B, C, de transfert de chaleur permet de mieux contrôler le fonction- nement du lit fluidisé. On remarquera également que la réalisation d'une zone plus concentrée à la partie supérieure de la chambre de fluidisation et d'une couche annulaire dense de particules qui ruissellent le long de la paroi latérale de l'enceinte permet d'augmenter la densité globale de la suspension fluidisée et par conséquent les performances de la chambre de réaction, compte tenu de ses dimensions. L'invention a été décrite essentiellement dans le cas o l'on cherche à augmenter le transfert de chaleur à l'intérieur de la chambre mais les tiipu:iili ons. d'crilts i),ril'ternt, dI'une façon g6n6ral], de rdali- ser un traitement avec un rendement optimal grâce à la mise en circulation intense des particules à l'intérieur même du réacteur, sans passer par le 25631 19 circuit de recyclage. En outre, grâce à la séparation de l'intérieur du réacteur en zones distinctes, on pourrait y soumettre les particules à des traitements ou réactions différents selon les zones. D'ailleurs, l'invention ne se limite évidemment pas au seul mode de réalisation qui vient d'être décrit mais couvre les perfectionnements ou les variantes qui pourraient être imaginés en appliquant les mêmes princi- pes. C'est ainsi que l'on pourrait juger avantageux, après avoir dimi- nué la vitesse du courant gazeux dans la partie supérieure 12 de l'enceint- e, d'évacuer les gaz par un orifice de sortie 40 placé dans l'axe de l'en- ceinte, le circuit d'évacuation 4 ayant alors la forme représentée en traits mixtes sur la figure. D'autre part, pour favoriser la stabilité de la zone supérieure dense C du lit fluidisé, il pourrait être intéressant d'évacuer les gaz de façon symétrique par exemple dans deux ou plusieurs circuits d'évacuation 4 et 40 comportant chacun un organe de récupération des particules débouchant dans un circuit de recyclage de celles-ci dans le lit fluidisé. Enfin, pour augmenter la vitesse de circulation des gaz dans la zone diluée B et la diminuer dans la zone supérieure C, il est plus simple de jouer sur la sction de passage du courant gazeux mais on pourrait égale- ment utiliser d'autres moyens et par exemple injecter un fluide auxiliaire ou prélever un certain débit de gaz à la hauteur voulue. REVENDICATIONS 1.- Procédé de mise en circulation de particules solides à l'inté- rieur d'une chambre de fluidisation verticale (1) alimentée en matière soli- de sous forme de particules (3) et à la base de laquelle est injecté un gaz de fluidisation à une vitesse suffisante pour former un lit fluidisé circu- lant comprenant une zone inférieure dense (A) à forte concentration de par- ticules surmontée d'une zone diluée (B) contenant des particules entrainées par le courant ascendant de;gaz vers la partie supérieure de la chambre (1), celle-ci débouchant dans un circuit (4) d'évacuation des gaz et des particules sur lequel est placé un moyen (41) de récupération des particu- les entrainées relié à la chambre de fluidisation (1) par un circuit (44, ) de recyclage des particules récupérées, caractérisé par le fait que l'on détermine, dans la partie supérieure de la chambre de fluidisation (1), une diminution de la vitesse de circulation des gaz avant leur évacuation de façon à réaliser au-dessus de la zone di- luée (B) du lit fluidisé une zone supérieure (C) à plus forte concentration en particules dans laquelle une partie des particules s'échappe du courant gazeux et retombe en pluie le long de la paroi latérale de la chambre en formant une nappe annulaire descendante (34). 2.- Procédé de mise en circulation de particules selon la revendi- cation 1, car:ac t ris pnar 1Il lait qut. I'on lait descendre la nappe annulaire (34) de particules le long d'un échangeur de chaleur tubulaire (5) placé à l'inté- rieur de la chambre de fluidisation (1), au moins dans la zone diluée (B) du lit fluidisé. 3.- Procédé de mise en circulation de particules selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'on détermine la diminution de vitesse du cou- rant gazeux par élargissement de la section transversale de passage des gaz à la partie supérieure de la chambre de fluidisation (1). 4.- Procédé de mise en circulation de particules selon la revendi- cation 3, caractérisé par le fait que l'on fait varier de haut en bas la section transversale de passage des gaz dans la chambre de fluidisation de façon à ménager à l'intérieur de celle-ci une zone inférieure (A) à large section délimitant la partie dense du lit fluidisé, une zone médiane (B) à section rétrécie correspondant à la partie diluée et une zone supérieure (C) à sec- tion élargie correspondant à la partie supérieure concentrée de formation de la nappe annulaire (34). 5.- Procédé de mise en circulation de particules selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la vitesse de circulation ascendante du courant gazeux est de 6 - 12 m/s dans la partie médiane de la chambre et de 2 à 6 m/s dans la partie supérieure de concentration des particules. 6.- Chambre de fluidisation perfectionnée, constituée d'une en- ceinto allongée verticale (1) alimentée en matière solide sous forme de par- ticules (3), parcourue par un courant ascendant de gaz de fluidisation à une vitesse réglée de façon à ménager à l'intérieur de l'enceinte (1) un lit fluidisé circulant comprenant une zone inférieure dense (A) à forte concentration de particules, surmontée d'une zone diluée (B) contenant des particules eutr;inles par It coura;t ascendant de gaz vers la partie supé- rieure de l'enceinte, celle-ci débouchant dans un circuit (4) d'évacuation des gaz comprenant des moyens (41) de récupération des particules entrai- nées et (45) de recyclage de celles-ci à l'intérieur de la chambre de flui- disation (1), cette dernière étant caractérisée par le fait qu'elle est mu- nie à sa partie supérieure de moyens (12) de diminution de la vitesse de circulation des gaz avant leur évacuation pour la formation, au-dessus de la zone diluée (B) du lit fluidisé, d'une zone (C) à plus forte concentra- tion de particules, dans laquelle une partie (35) de celles-ci s'échappe du courant gazeux et retombe en pluie en formant une nappe annulaire descendan- te (34) le long de la paroi latérale (11) de la chambre. 7.- Chambre de fluidisation selon la revendication 6, caractérisée par le fait que le moyen de diminution de la vitesse de circu- lation des gaz est constitué par un élargissement (12) de la section trans- versale de la chambre (1). la partie supérieure de celle-ci. 8.- Chambre de fluidisation selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la chambre de fluidisation comprend une partie inférieure (10) à section large dans laquelle se forme la zone dense (A) du lit fluidisé, une partie médiane (11) à section rétrécie dans laquelle se forme la zone diluée (B) et une partie supérieure (12) à section élargie dans laquelle se réalise la diminution de vitesse avec concentration des particules entraînées et séparation du courant gazeux d'une partie (35) de ces dernibres. d. t: h:vad.I 1u,,li:;:tL,,, seion l'une des revendications 6, 7, 8,caractérisée par le tait qu'elle est limitée au moins sur la hauteur de la caractérisé.e par le tait qu'elle est limitée au mooins sur la hauteur de la zone diluée (B) par un échangeur de chaleur tubulaire (5) le long duquel descend la nappe annulaire (34) de particules séparées du courant gazeux. 10.- Chambre de fluidisation selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée par le fait qu!elle comprend des organes (52) de récupération ti chaleut- pla;ct'.) la parLi, supérieure (12) de l'enceinte dans la zone su- périeure (C) à vitesse diminuée du lit fluidisé.