Brevet FR2581161A1 — publié le 19861031

La présente invention concerne d'une-façon generale les chaudires a lit fluidise. Les réacteurs ou echangeurs du type a lit fluide sont des installations efficaces pour la creation de chaleur, et sous des formes diverses et adaptées, ils peuvent mettre en oeuvre des opérations de séchage, de grillage, de calcination, de traitement thermique de matieres solides par les gaz dans les domaines du traitement des produits chimiques, métallurgiques ou autres, ainsi que de création de gaz chauds, par exemple de vapeur d'eau, pour l'entrainement de systèmes générateurs d'énergie électrique.Dans ce type de réacteur, de l'air est amené a circuler dans un lit d'une matière particulaire formée le plus souvent d'un mélange d'une matière inerte et d'une matière combustible, telle que du charbon, de la sciure de bois, des dechets divers ou autres ma tières. (Dn connait déjà par de nombreux brevets des réacteurs ou chaudières à lit fluidisé. Dans ces brevets l'alimentation en air de fluidisation est généralement effectuée par l'intermédiaire d'une pluralité de tuyères situées dans la région de fond de la chambre de reaction et en communication avec un collecteur d'amenee d'air dit boite a vent également situé dans la chambre de réaction. Cette.boite a vent accroit sensiblement la hauteur totale de la chaudière, ce qui est désavantageux. De plus une telle unité d'alimentation en air de fluidisation ne permet pas de moduler la puissance de la chaudière, car une diminution du débit d'air de fluidisation conduit rapidement a un effondrement total du lit. On connait en outre, par le brevet français nO 2 526 129, une chaudière a lit fluidisé dans laquelle l'alimentation en air de fluidisation est effectuée via une grille formée de tubes de barbotage, sé-lectivement alimentés en air de fluidisation, qui traversent horizontalement la chambre de réaction, sans faire appel à une boite a v-ent située dans la région inférieure de ladite chambre. Cependant, la- présence de tels tuyaux de barbotage constitue bien évidemment un obstacle une fluidisation satisfaisante du lit, car l'espace relatîvement ê,troit qui les separe tient lieu d'étranglement pour l'écoulement de l'air de fluidisation.En outre l'orientation horizontale de ces tuyaux de barbotage les rend susceptibles de s'éroder très rapidement. Enfin, dans toutes les chaudieres connues, les caracteristiques de fonctionnement ne sont adaptées qu'a un type de combustible bien defini, et l'utilisation avec un combustible de type différent ne pourna se faire qu'avec une baisse considérable de la puissance délivrée. La présente invention vise à pallier ces inconvénients et a proposer une chaudière a lit fluidise qui soit apte a fonctionner indif féremment avec divers types de combustibles, parmi lesquels les solides pulvérulents, tels que le charbon ou dérivés, la sciure ou les déchets de bois, etc, ou encore certains liquides pâteux tels que boues de stations d'épuration avec une adaptation des caracteristiques de fonctionnement telle que, quel que soit le combustible utilisé, une même puissance puisse être obtenue. Un autre objet encore de la presente invention est de proposer une chaudière a lit fluidisé présentant une nouvelle conception de tuyères d'amenée d'air de fluidisation. Unnautre objet encore de la présente invention est de proposer une chaudière a lit fluidisé dans laquelle la structure de tubes d'échange de chaleur soit plus simple et moins coûteuse a mettre en oeuvre, et favorise le transfert de la chaleur dégagée par la combustion dans le lit flui disé vers le fluide acheminé par lesdits tubes. Un objet de la présente invention est également de proposer une chaudière a lit fluidisé dont la structure d'ossature et de maintien soit de conception simplifiée sans altérer ses performances. A cet effet, la présente invention concerne, selon un premier aspect, une chaudière a lit fluidisé, caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison - une enceinte munie d'un revêtement intérieur réfractaire et définissant une chambre de réaction intérieure, - une ossature de support de ladite enceinte, sous la forme d'une charpente métallique, - des moyens d'alimentation en combustible agencés pour introduire dans la chambre une matière combustible apte a être mise sous la forme d'un lit fluide, - des moyens d'extraction situes dans le fond de la chambre et agencés pour extraire sélectivement de cette dernière de la matière contenue dans le lit fluidisé, - des moyens d'alimentation en air de fluidisation aptes a introduire dans le fond de la chambre de reaction de l'air de fluidisation de la matière combustible, lesdits moyens comprenant une pluralite de tuyères traversant une paroi inferieure de l'enceinte et débordant vers le haut dans la chambre de réaction, lesdites tuyères étant encommunica tion par groupes prédéterminés avec une pluralité de conduits d'amenée d'air qui s'étendent au dessous de l'enceinte et qui communiquent avec un collecteur d'arrivée d'air commun par l'intermédiaire de moyens a vannes d'ouverture/fermeture, - une pluralité de premiers tubes d'échange de chaleur dans lesquels circule un fluide destiné a récupérer la chalteur produite par combustion de la matière combustible dans le lit fluidisé, et:qui s'étendent sensiblement verticalement à la périphérie de la chambre, et - au moins une rangée de seconds tubes d'échange de chaleur s'étendant verticalement à I'intérieurde la chambre de réaction. Selon un sepond aspect, la presente invention concerne un pro céde d'utilisation de la chaudière à lit fluidise telle que définie cidessus, caractérisé en ce que l'on adapte les caractéristiques de fonctionnement de celle-ci en fonction du type de matière combustible utilisé par les étapes consistant à - commander les moyens d'alimentation en combustible et les moyens d'extraction de manière à faire varier la hauteur du lit fluidise, - commander les moyens à vannes d'ouverture/fermeture prévus dans les moyens d'alimentation en air de fluidisation, pour ne fournir de l'air de fluidisation que par des tuyères prédéterminées, de manière à faire varier la surface du lit fluidisé, et en conséquence le nombre de rangées de seconds tubes d'echange de chaleur qui traversent le lit flui disé, la surface d'échange entre le lit fluidise et le fluide acheminé par les premiers et seconds tubes d'échange de chaleur pouvant ainsi être adaptée pour qu'une même puissance calorifique puisse être fournie par des foyers differents dus à l'utilisation de combustibles differents. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préféré de celle-ci, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexes, sur lesquels la figure 1 est une élévation de face en coupe schématique d'une chaudière selon l'invention, la figure 2 est une vue de dessus en coupe schématique de la chau fière de la figure 1, la figure 3 est une vue de détail agrandie en coupe partielle d'une partie de la chaudiere des figures 1 et 2, et la figure 4 est une vue de dessus en coupe schématique d'une partie d'ossature de la chaudière des figures 1 et 2. En référence aux figures 1 et 2, la chaudière selon la présente forme de réalisation de l'invention comprend schématiquement une enceinte metallique 10 de section sensiblement carre et comportant intérieurement une pluralité de couches de revêtements réfractaires appropriés, globalement indiquées en 12, non décrites en détail ici car ne faisant pas l'objet de l'invention. L'enceinte 10 est supportée par une pluralité de poutres métalliques, notamment par des poutres inférieures 14, 15 de section en H, des montants verticaux 16 et des poutres de ceinturage 17 régulièrement espacées le long de la hauteur de la chaudière (tous omis sur la figure 2). A l'intérieur de l'enceinte est définie une zone de reaction à lit fluidisé 18. La zone 18 peut être alimentée en matières particulaires solides pulvérulentes, par exemple un mélange d'une matière solide inerte et d'une matière combustible telle que de la poussière de charbon, de la sciure de bois, etc, par une goulotte d'alimentation 20 contrôlable s'étendant en biais à travers l'une des parois de l'enceinte. On trouve en outre, traversant également une paroi de 1 'enceinte un brûleur de mise en route conventionnel 21, ainsi qu'une goulotte d'extraction contrôlable 19 destinée a l'évacuation des cendres, de façon connue, ainsi qu'à la modification de la hauteur du lit fluidisé formé dans la chambre, comme on le verra par la suite. La chaudière comprend en outre des moyens d'alimentation en air de fluidisation dans la région du fond de la zone de réaction. Selon l'in- vention, ces moyens comprennent une tubulure d'arrivée commune 22 (figure 2.) qui alimente de façon sélective, par l'intermédiaire de vannes appropriées, schématiquement indiquées en 24, une pluralité de collecteurs 26 s'étendant au dessous de l'enceinte 10 parallèlement les uns aux autres, ainsi qu'à deux des faces de l'enceinte, avec un écartement prédéterminé. il est à noter que le fait que les collecteurs 26 ne sont pas situés à l'tnterieur de l'enceinte 10 permet de demonter et de nettoyer ceux-ci avec une grande facilité, par opposition aux boîtes à vent de l'art antérieur. Au dessus de chaque collecteur s'etend une rangée de tuyères 28. Chaque tuyère 28 présente la forme d'un elément tubulaire vertical fermé à son extrémité supérieure et ouvert à son extrémité inférieure, et traver se la couche réfractaire inférieure 29 de l'enceinte à travers des passages appropriés. Comme le montre plus en detail la figure 3, des trous d'éjection 30 dirigés en biais vers le bas sont formés circonférentiellement dans la région superieure des tuyères, qui déborde au dessus de ladite couche réfractaire. On notera que l'orientation vers le bas des trous d'éjection 30 permet de minimiser les risques d'obstruction de ceux-ci par la matière particulaire du lit.En outre, chaque tuyère est fixée en soudant périphériquement, en 31, son extrémité inférieure sur une plaque en tôle 32 aonstituant la paroi de fond de l'enceinte 10 et munie de trous 34 aux emplacements corespondants (il faut noter qu'une telle fixation par soudure est rendue plus robuste par lefait que la plaque de fond 12 est en permanence froide). Les tuyères 28 communiquent avec leur collecteur respectif 26 par l'intermédiaire d'organes tubulaires métalliques 33 fixés, de manière appropriée par soudage, entre ledit collecteur 26 et la face inférieure de la plaque 32. Comme le montre lus précisément la figure 3, Jes tuyères 28 sont légèrement tronconiques, en s'évasant vers le haut, de manière a ce que la dilatation thermique de celles-ci, qui est considérable notamment lors de la mise en route et de l'arrêt de la chaudière, n'engendre pas de contraintes excessives dans la couche de matériaux réfractaires 29. La chaudière comprend en outre une pluralité de tubes d'échange de chaleur 36, conventionnellement en acier noir, s'étendant verticalement le long des faces intérieures du revêtement réfractaire. Les tubes 36 sont alimentés a leur extrémité inférieure par des distributeurs d'eau 38, 40 eux-mêmes alimentés par des colonnes descendantes (non représentées) reliées à un ballon d'eau (également non représenté), de façon conventionnelle. La chaudière comprend également, outre les tubes d'échange de chaleur périphériques verticaux 36, plusieurs rangées de tubes d'échange de chaleur 42 (dont une seule est représentée sur les figures 1 et 2) qui s'étendent verticalement à l'intérieur(:de la zone de réaction 18. Comme le montre la figure 1, les tubes 42 sont alimentés en eau par leur extrémité inférieure coudée 42a à partir du distributeur 38. Les tubes d'échange de chaleurs périphériques et intérieurs 38, 42, respectivement, sont par ailleurs raccordés à leur extrémité supérieure à un ballon de vapeur 44, de façon connue dans la techhique. En référence à la figure 4, on peut observer que chaque tube d'échange de chaleur périphérique 36 est maintenu en place contre la face intérieure de la couche de matériaux réfractaires 12 l'aide d'une plura lité de tiges 46 qui traversent ladite couche 12 et qui sont fixées de façon appropriée sur l'ossature métallique de la chaudière. Chaque tige 46 comporte à son extrémité tournée vers I'intérieur de la zone de réaction 18 un berceau 48 à l'intérieur duquel la portion correspondante d'un tube 36 est fixée, par exemple par soudage, boulonnage, etc. Ce mode de fixation des tubes 36 est avantageux en ce qu'il assu- re également de façon satisfaisante le maintien en place des materiaux réfractaires 12, et en ce qu'il permet avantageusement d'eviter l'emploi de tubes d'echange de chaleur très rapprochés et rendus solidaires par des tôles continues, structure lourde et coûteuse qui était exigée dans l'art antérieur pour assurer l'intégrité de l'ensemble. Un autre avantage de l'emploi d'un mode de fixation des tubes d'échange de chaleur périphériques 36 tel que décrit plus haut est le fait que c'est alors sur la totalité de la surface des tubes que peut s'effectuer le transfert de chaleur du lit fluidisé vers le fluide circulant dans les tubes, par opposition à la structure de l'art antérieur dans laquelle l'échange de chaleur n'avait lieu que sensiblement sur la moitié de la surface desdits tubes. La chaudière à lit fluidisé telle que décrite ci-dessus peut être facilement adaptée à des types de combustibles différents. A cet égard, il faut noter que chaque combustible a ses propres caractéristique. de combustion, la température de combustion et la quantité de chaleur fournie variant largement d'un combustible à l'autre. La présente chaude permet avantageusement de compenser de tels écarts en offrant la possibilite de faire varier la taille de la surface à travers laquelle a lieu l'échange de chaleur, pour ainsi être apte à fournir une puissance sensiblement constante quel que soit le combustible utilise.En particulier, i est possible,en agissant sur les vannes 24 des moyens d'alimentation en air de fluidisation,de faire varier la surface active du-lit fluidisé. En effet, lorsqu'un ensemble de tuyères 28 ne délivre pas d'air de fluidisation, le lit de combustible situé au dessus de celles-ci n'est pas fluidi sé, mais effondré et dépourvu d'oxygene, et sensiblement aucune combustion n'a lieu dans cette partie du lit. On comprend alors qu'une telle variatiz de. la surface permet de faire varier le nombre de tubes d'échange de chaleur 36 ou 42 qui sont en contact avec la zone active du lit, et donc la quantité de chaleur fournie. En outre, il est possible, en commandant de façon appropriée les moyens d'alimentation en combustible et les moyens d'extraction, de faire varier la hauteur du lit pour faire varier ici encore la surface d'echange de chaleur entre le lit et les tubes 36, 42, du fait que ceux-ci s'etendent verticalement. On pourra en outre, dans le but de modifier le coefficient d'é- change de chaleur entre le lit fluidise et les tubes d'échange de chaleur, prévoir autour de tout ou partie de ces tubes des éléments réfractaires amovibles (non représentés), pour encore accroître la souplesse ae la chaudière et sa versatilité. Par ailleurs, on pourra prévoir des moyens de commande automa tisés destinés a agir de façon-appropriee pour modifier les caracteristiques de lit fluidisé conformément aux possibilités décrites plus haut. A titre d'exemple, le contrôle de la hauteur du lit fluidisé pourra être effectué a l'aide de capteurs agencés pour mesurer la perte de charge entre le haut et le bas du lit. Bien entendu, la présente invention n'est aucunement limitée à la forme de réalisation décrite, mais inclut toute variante ou modification que pourra y apporter 1 'hômme de l'art. En particulier, on pourra associer à la chaudière telle que décrite tout dispositif ou aménagement annexe connu, tel que chambre d'échange de chaleur par convection, etc. REVENDICATIONS 1. Chaudière a lit fluidisé, caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison - une enceinte (10) munie d'un revêtement intérieur réfractaire (12) et définissant une chambre de réaction intérieure (18), - une ossature de support de ladite enceinte, sous la forme d'une charpente métallique (14, 15, 16, 17), - des moyens d'alimentation en combustible (20) agencés pour introduire dans la chambre une matière combustible apte à être mise sous la forme d'un lit fludise, - des moyens d'extraction (19) situés dans le fond de la chambre et agencés pour extraire sélectivement de cette dernière de la matiere contenue dans le lit fluidisé, - des moyens d'alimentation en air de fluidisation aptes à introduire dans le fond de la chambre de réaction de l'air de fluidisation de la matière combustible, lesdits moyens comprenant une pluralité de tuyères (28) traversant une paroi inférieure (32) de l'enceinte et débordant vers le haut dans la chambre de réaction (18), lesdites tuyères étant en communication par groupes prédéterminés avec une plu ralité de conduits d'amenée d'air (26) qui s'étendent au dessous de l'enceinte et qui communiquent avec un collecteur d'arrivée d'air commun (22) par l'intermédiaire de moyens à vannes d'ouverture/fermeture (24). - une pluralité de premiers tubes d'échange de chaleur (36) dans lesquels circule un fluide destiné à récupérer la chaleur produite par combustion de la matière combustible dans le lit fluidise, et qui s'étendent sensiblement verticalement à la périphérie de la chambre, et - au moins une rangée de seconds tubes d'échange de chaleur (42) s'étendant verticalement a l'intérieur de la chambre de rédaction. 2. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque tuyère présente la forme d'un tube sensiblement cylindrique (28) ouvert à son extrémité infériéure et fermé à son extrémité supérieure, une pluralité d'orifices (30) d'ejection d'air de fluidisation orientes vers le bas étant prévus dans la partie supérieure de la tuyère. 3. Chaudière selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque tuyère (28) est de forme légèrement évasée vers le haut. 4. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que chaque tuyère (32) est soudée par son extrémité inférieure sur une plaque métallique de fond (32) de ladite enceinte, et s'étend à travers le revêtement réfractaire de fond (29). 5. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les premiers tubes d'échange de chaleur (36) sont fixés en place à l'aide de moyens supports (46, 48) qui présentent la forme de tiges traversant le revêtement réfractaire (12) et fixées par leurs extrémités respectivement sur la charpente métallique et sur lesdits premiers tubes (36), les tiges de support (46) participant également au maintien en place du revêtement refractaire (12). 6. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une unité de commande des moyens à vannes (24), des moyens d'alimentation en combustible (20) et des moyens d'extraction (19) apte à faire varier les dimensions du lit fluidisé en fonction du type de matière combustible utilisé 7. Procéde d'utilisation d'une chaudière à lit fluidisé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on adapte les caractéristiques de fonctionnement de celle-ci en fonction du type de matière combustible utilise par les étapes consistant à - commander les moyens d'alimentation en combustible et les moyens d'extraction de maniere à faire varier la hauteur du lit fluidisé, - commander les moyens à vannes d'ouverture/fermeture prévus dans les moyens d'alimentation en air de fluidisation, pour ne fournir de l'air de fluidisation que par des tuyères prédéterminées, de manière à faire varier la surface du lit fluidisé, et en conséquence le nombre de rangees de seconds tubes d'échange de chaleur qui traversent le lit fluidisé, la surface d'échange entre le lit fluidisé et le fluide acheminé parles.premiers et seconds tubes d'échange de chaleur pouvant ainsi être adaptée pour qu une même puissance calorifique puisse être fournie par des foyers différents dûs à l'utilisation de combustibles différents.