Brevet FR2585816A1 — publié le 19870206

L'invention a pour objet un procédé et un disposi- tif qui permettent de réguler avec faciLitté, dans une gamme de variation donnée, l'énergie thermique échangée entre un milieu extérieur et un lit fLuidisé contenu dans une enceinte de fluidisation. On sait que L'on utilise couramment des lits fLui- disés pour la réalisation de réactions chimiques qui peuvent être endothermiques ou exothermiques. Certaines réactions comme la combinaison de l'oxygène avec un combustible sont fortement exothermiques et sont exécutées précisément en vue d'utiliser Le flux calorifique ainsi produit. Toutefois, les besoins de l'utilisation ne sont pas constants; il est donc nécessaire de réguler la quantité de chaleur obtenue du lit fluidisé en fonction de la quantité de chaleur désirée. En sens inverse, pour L'entretien d'une réaction endothermique à un régime déterminé, il est nécessaire de réguler la quantité de chaleur fournie au lit fluidisé. Cette variation commandée du flux de chaleur extrait du lit fluidisé ou apporté au lit fluidisé est ce que l'on appelle aussi la souplesse de marche du lit fluidisé. L'échange de chaleur avec un lit fluidisé se réalise couramment au moyen d'un échangeur de chaleur de type tubulaire dont les tubes sont immergés dans le lit fluidisé. On peut donner de la souplesse à la marche d'un lit fluidisé en agissant, isolément ou en combinaison, sur plusieurs facteurs qui sont, principalement: - la vitesse de fluidisation, - l'expansion plus ou moins importante du lit fluidisé, - la variation de la densité apparente du lit fluidisé, - la variation du degré d'immersion des tubes de l'échangeur dans le lit fluidisé, - la défluidisation partielle du lit réalisée par l'interruption de l'alimentation en gaz de fluidisation d'une partie de la grille de fluidisation. Ces facteurs ne sont pas totalement indépendants les uns des autres. De plus, dans de nombreuses circonstances et en particulier quand il s'agit de combustion en Lit flui- disé, l'action sur certains facteurs est limitée par la nécessité de conserver des conditions favorables de fonction- nement si l'on veut maintenir à une valeur désirée certains paramètres comme le rendement thermique de la combustion ou la qualité de la désulfuration des gaz de combustion. Il en résulte que la souplesse de marche ne s'obtient pas par action sur un seul facteur mais par une action partielle sur plusieurs facteurs dans la mesure o ceux-ci peuvent être modifiés. Par exemple, un échangeur installé dans une enceinte de fluidisation a une surface d'échange donnée constante. Pour modifier le degré d'immersion de l'échangeur dans le lit fluidisé, on peut agir sur la vitesse de fluidi- sation qui provoque une expansion ou un tassement du lit fluidisé, ce qui modifie sa hauteur. Mais, le changement de la hauteur du lit par la variation de la vitesse de fluidisa- tion modifie aussi la densité du lit et il en résulte une variation du coefficient de transfert thermique qui ne se fait pas toujours dans le sens souhaité. On peut encore modifier le degré d'immersion des tubes en pratiquant une charge ou une décharge du lit fluidisé en matériaux inertes pour en faire varier le volume. Mais cette action modifie aussi le temps de séjour dans le lit des particules solides actives, ce qui peut nuire au rendement de la combustion. En outre, quand un échangeur est partiellement immergé dans le lit fluidisé, il subit une forte érosion à la limite supérieure de ce lit. Il est donc avantageux que l'échangeur soit totalement immergé dans le lit fluidisé. Sa construction peut alors être notablement simplifiée. Il est clair, par conséquent, d'après ce qui précède, qu'il est utile et souhaitable de disposer d'un moyen supplémentaire de régulation de l'énergie thermique échangée avec un lit fluidisé. L'invention a donc pour but principal d'apporter un procédé et un appareil qui permettent, en supplément aux moyens déjà connus, soit isolément soit en combinaison avec ceux-ci, de réguler l'importance de l'énergie thermique échangée avec un lit fluidisé, principalement mais non exclusivement avec un lit fluidisé de combustion d'un combus- tible dans un courant d'air de fluidisation. A partir d'une enceinte de fluidisation contenant un corps en réaction tenu en état de lit fluidisé sous l'effet d'un gaz de fluidisation, avec un échangeur interne de chaleur immergé au moins partiellement dans ce lit fluidisé et parcouru par un fluide caloporteur, selon le procédé de l'invention, on réalise à l'extérieur de ladite enceinte de fluidisation un transfert contrôlé de calories entre le gaz de fluidisation et le fluide caloporteur après le passage de celui-ci à travers l'échangeur de chaleur interne. Pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention à partir d'une installation comprenant une enceinte de fluidi- sation contenant un corps en réaction à l'état de lit fluidisé, une grille de fluidisation, une canalisation d'arrivée d'un gaz de fluidisation dirigé à travers la grille de fluidisation, un échangeur interne immergé en partie au moins dans le lit fluidisé et parcouru par un fluide caloporteur, selon l'invention cette installation comprend encore un dispositif constitué: a) par un échangeur extérieur de calories alimenté d'une part par la canalisation d'arrivée du gaz de fluidisa- tion, d'autre part par le fluide caloporteur sortant dudit échangeur, et b) par une canalisation à débit réglable montée en dérivation par rapport audit échangeur extérieur. On donnera maintenant, sans intention limitative et sans exclure aucune variante, une description d'un exemple de réalisation de l'invention dans le cas d'une chaudière à combustion en lit fluidisé. On se référera à la figure unique annexée qui est une vue générale schématique montrant princi- palement les organes essentiels nouveaux du dispositif de l'invention. Une enceinte de fluidisation 1 contient un lit fluidisé 2 dans lequel un échangeur interne de chaleur 3 est immergé en totalité et en permanence pendant L'utilisation. Le lit fluidisé 2 est composé de particules d'un combustible qui parvient dans l'enceinte 1 par des moyens d'alimentation classiques non représentés. Ce lit fluidisé 2 se trouve au- -dessus d'une grille de fluidisation 4 à travers laquelle est envoyé un courant d'air de fluidisation servant d'air primaire de combustion qui arrive par une canalisation d'arrivée 5. L'échangeur de chaleur 3 est parcouru par un fluide caloporteur, par exemple de l'eau, qui arrive par une canalisation 6 et qui repart par une canalisation 7. Un échangeur de chaleur extérieur 8 est placé en dehors de l'enceinte 1; il est situé sur la canalisation 7 en aval de l'échangeur interne 3 pour être traversé de préférence par la totalité du débit du fluide caloporteur qui provient de cet échangeur 3. L'échangeur de chaleur extérieur 8 est situé aussi sur la canalisation 5 d'arrivée d'air de fluidisation. En outre, il existe une canalisation de dériva- tion 9 qui part d'une vanne de réglage de débit 10 montée sur la canalisation d'arrivée 5 en amont de l'échangeur de chaleur extérieur 8 et qui aboutit à un point 11 de cette même canalisation d'arrivée 5, en aval de l'échangeur de chaleur extérieur 8. En pratique ce dernier est d'un type quelconque convenable apte à réaliser un bon transfert thermique entre le fluide caloporteur et le gaz de fluidisa- tion. De cette façon, on peut réguler à l'aide de moyens connus comme la vanne de réglage 10, la quantité de chaleur soustraite réellement au lit fluidisé 2 en conservant à l'intérieur du lit fluidisé 2 des conditions favorables à une bonne combustion, ainsi que le montrent les chiffres portés sur le tableau qui suit. Ces chiffres se rapportent à une installation dont la puissance calorifique par unité de surface est de 2 MW/m2 de surface de la grille de fluidisation 4 au régime nominal de marche. La variation de la quantité de chaleur échangée avec le lit fluidisé 2 est supposée devoir être de 50% de la puissance au régime nominal % de la puissance nominale:100% 90% 80% 70% 60% 50% soit en MW/m22 1,8 1,6 1,4 1,2 1 Puissance extraite par l'échangeur immergé 1 1 1 1 1 1 (MW/m2) Puissance à transférer à l'échangeur de chaleur extérieur (MW/m2)0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Débit d'air disponible (avec un excès d'air constant)Nm3/h 3 300 3 000 2 665 2 330 2 000 1 665 Température de l'air à la sortie de l'échangeur de chaleur extérieur(0C) 15 102 210 350 535 795 Il ressort de ces chiffres qu'en utilisant l'air de fluidisation comme seul moyen de transfert de calories dans l'échangeur de chaleur extérieur 8 pour soustraire du fluide caloporteur les calories excédentaires et réintroduire celles-ci dans le lit fluidisé, on peut obtenir facilement un coefficient de souplesse de 1 à 1,42 (soit une régulation de la marche de 70% à 100% du régime nominal), la température de l'air de fluidisation passant de 15 à 350 C. Au-delà, l'échauffement de l'air de fluidisation devient difficile à mettre en oeuvre; on peut diluer cet air avec un fluide caloporteur inerte comme les fumées recyclées si l'on veut obtenir une souplesse plus grande; on peut aussi avoir recours à l'un des moyens complémentaires exposés plus haut Mais le procédé et le dispositif de l'invention procurent un degré de souplesse appréciable susceptible d'être combiné avec d'autres moyens classiques. 1. Procédé de réguLation de L'énergie thermique échangée entre un miLieu extérieur et une enceinte de fluidi- sation contenant un corps en réaction tenu en état de lit fluidisé sous l'effet d'un gaz de fluidisation, avec un échan- S geur de chaleur interne immergé au moins partiellement dans ce Lit fluidisé et parcouru par un fluide caloporteur, carac- térisé en ce qu'on réalise à l'extérieur de ladite enceinte de fluidisation un transfert contrôlé de calories entre le gaz de fluidisation et le fluide catoporteur après le passage O10 de celui-ci à travers L'échangeur de chaleur interne. 2. Procédé selon la revendication I caractérisé en ce qu'on contrôle Le transfert de calories en agissant sur le débit du gaz de fLuidisation qui réalise ce transfert avec le fluide caloporteur. 3. Dispositif- pour la régulation de L'énergie thermique échangée avec un Lit fluidisé, dans une installation comprenant une enceinte de fLuidisation (1) contenant un corps en réaction à l'état de Lit fluidisé (2), une grille de fluidisation (4), une canalisation d'arrivée (5) d'un gaz de fluidisation dirigé à travers la grille de fluidisation (4), un échangeur de chaleur interne (3) immergé en partie au moins dans le lit fluidisé (2) parcouru par un fluide caloporteur au moyen d'un circuit d'arrivée (6) et de départ (7), caractérisé en ce qu'il est constitué: a) par un échangeur extérieur (8) de calories alimenté d'une part par La canalisation d'arrivée (5) du gaz de fluidisation, d'autre part par La canaLisation (7) de départ du fluide caloporteur, et b) par une canalisation (9) à débit réglable montée en dérivation par rapport audit échangeur extérieur (8). 4. Dispositif selon La revendication 3 caractérisé en ce que La canalisation (9) à débit réglable part d'une vanne de réglage de débit (10) montée sur La canalisation d'arrivée (5) du gaz de fluidisation en amont de l'échangeur extérieur (8) et aboutit à un point (11) de cette même canali- sation d'arrivée (5) en aval de L'échangeur extérieur (8).