Brevet FR2609150A1 — publié le 19880701

- 1 - GENERATEUR THERMIQUE POLY-COMBUSTIBLES A LIT CIRCULANT INTEGRE, PERMETTANT LA DESULFURATION IN-SITU DES GAZ DE COMBUSTION. L'invention a pour objet un générateur thermique susceptible de brûler des combustibles à haute teneur en soufre et qui, sous forme d'un ensemble compact, permet de découpler la production de chaleur utile et la désulfuration des gaz de combustion. Les réglementations sévères limitant dans les zones protégées les émissions d'oxydes de soufre par les effluents gazeux des générateurs de chaleur y interdisent l'emploi de combustibles à haute teneur en soufre, qui, par ailleurs, peuvent présenter des avantages économiques certains: il en est ainsi de certains charbons s'apparentant aux lignites, et de résidus pétroliers issus des procédés de raffinage. En dehors des procédés de traitement aval des fumées qui s'adressent généralement aux installations de très grande puissance, on réalise sur certaines unités thermiques alimentées aux combustibles fossiles la désulfuration au cours de la combustion, en injectant directement dans le foyer un absorbant à base de calcium (calcaire, chaux, dolomite...). Ce procédé de désulfuration in-situ est principalement envisagé pour les combustibles solides, et son efficacité (comprise entre 30 et %) est largement tributaire de la distribution des températures dans la chambre de combustion, tout en nécessitant une consommation importante de calcaire (rapport Ca = Calcium de l'ordre de 3 à 4 moles/mole). S Soufre - 2 - Une voie différente consiste à utiliser des chaudières à lit fluidisé dites à "cendres sèches", qui opèrent aux environs de 800-900 C et dans lesquelles combustible et absorbant sont intimement mis en contact. En particulier, au sein d'un lit fluidisé "rapide", ou "circulant", comportant une recirculation systématique des particules solides, on peut obtenir des taux de désulfuration très élevés (85-90 %) avec des rapports Ca/s relativement modestes (1,5 à 2 moles/mole). Mais le générateur de chaleur auto-désulfurant à lit circulant pose un certain nombre de problèmes technologiques. En particulier, sa fiabilité est étroitement liée à la résistance des faisceaux d'échange thermique, aux phénomènes d'abrasion et de corrosion. Le dispositif proposé a pour avantage essentiel d'être fiable puisqu'il peut être mis en oeuvre en utilisant des techniques éprouvées. De plus le générateur selon la présente invention est compact et peu encombrant. L'idée directrice repose sur la combinaison de trois éléments principaux agencés de telle sorte que les surfaces d'échange soient soustraites au flux rapide des particules solides qui sont souvent à l'origine de dégradation rapide de ces surfaces. Ainsi, le générateur proposé comporte essentiellement un foyer ou chambre de combustion de préférence à parois froides, une chaudière de récupération captant la chaleur sensible des gaz de combustion et un lit circulant intermédiaire sans surface d'échange interne notable, et dont la fonction est de désulfurer les gaz transitant entre le foyer amont et l'échangeur aval. Par "paroi froide" on entend ici que la paroi comporte des moyens pour 2 609150 -3- extraire de la chaleur. D'une manière générale la présente invention concerne un générateur thermique comportant une chambre de combustion, un lit circulant et une chaudière de récupération. Selon la présente invention le lit circulant et la chambre de combustion ont une paroi commune. Cette paroi commune pourra comporter au moins un orifice d'alimentation du lit circulant en flux de fluide primaire et/ou au moins un orifice d'alimentation du lit circulant en flux de fluide secondaire. Cette paroi commune pourra être une paroi froide. De même les autres parois de la chambre de combustion pourront être des parois froides. Les différentes parois froides pourront comporter une circulation d'un fluide. Selon la présente invention le lit circulant et la chaudière de récupération pourront avoir une paroi commune. De même la chambre de combustion et la chaudière de récupération pourront avoir une paroi commune. Les parois du lit circulant pourront comporter un revêtement en matériau isolant thermique. Le lit circulant désulfurant, dont le matériau solide entrainé est constitué pour l'essentiel par l'absorbant, a pour fluide moteur les gaz chauds issus du foyer. La température des gaz étant susceptible de varier avec la charge du générateur, le maintien du lit à la température optimale de désulfuration (800-900 C) peut être obtenu par l'injection d'un combustible d'appoint dans le réacteur, la combustion s'effectuant avec l'oxygène en excès provenant du foyer amont, et éventuellement Z 609150 avec un apport de comburant frais. La compacité du générateur conforme à l'invention est obtenue par une répartition spatiale originale des trois éléments principaux disposés verticalement. Cette compacité en facilite la pré-fabrication. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaitront plus clairement à la description qui suit d'exemples particuliers, nullement limitatifs, parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un schéma général du générateur thermique selon l'invention, - la figure 2 une vue simplifiée en perspective d'un tel générateur thermique, et - les figures 3 et 4 montrent deux variantes particulières de disposition de différents éléments du génétateur thermique. Le principe de l'unité auto-désulfurante compacte selon l'invention est illustré par la figure 1, qui traite un exemple particulier adapté à la combustion d'un combustible solide ou liquide, injecté sous forme pulvérisée dans le foyer amont ou chambre de combustion. La chambre de combustion 1 est préférentiellement à parois froides, les surfaces d'échange 2 étant par exemple du type "mur membrane" c'est-àdire que des moyens de circulation d'un fluide sont associés et/ou intégrés aux parois de la chambre de combustion. Ces parois froides sont dimensionnées de telle sorte que la température des gaz de combustion en fin de foyer puisse se situer dans la fourchette 600-850 C pour toutes les allures de fonctionnement. Le brûleur 3 peut avantageusement être un brûleur à "basse émission de NOx" pour limiter les émissions d'oxydes d'azote, et contribuer ainsi à rendre le générateur complètement anti-polluant. - 5 - Dans ces conditions, on peut régler l'excès d'air ou de comburant de telle sorte que la quantité d'oxygène résiduel soit au moins égal à celle nécessaire pour effectuer la deuxième combustion dans le lit circulant 16, qui comporte un réacteur 6 et un séparateur 10 pouvant être du type à cyclone. Le réacteur 6 du lit circulant 16 est accolé au foyer 1 grâce à une paroi commune 17, la communication entre ces deux éléments s'effectuant directement par un ou des passages aménagés dans cette paroi. Le flux 41 de gaz primaire d'alimentation du lit circulant en provenance de la chambre de combustion 1 se fait par le passage inférieur 4, alors que le flux de gaz secondaire par le passage supérieur 5. Les parois internes sont constituées d'une couche de matériau réfractaire isolant pouvant être mince 7 résistant à l'abrasion, et les pertes de chaleur sont, pour l'essentiel, récupérées par le fluide caloporteur irriguant l'enveloppe du foyer 1. Dans l'exemple de la figure 1 du combustible auxiliaire et/ou le matériau absorbant d'oxydes de soufre sont injectés par au moins un orifice 9 dans la partie basse du réacteur 6, qui constitue la phase dense du lit circulant. Toutefois on ne sortira pas du cadre de l'invention si on injecte ces produits à un autre endroit de la boucle de circulation du lit circulant notamment en injectant l'un ou les deux produits au niveau de la jambe de retour 20. Les gaz ou fumées oxydantes 41 et 51 provenant des passages inférieur 4 et supérieur 5 définis précédemment et servant de fluide moteur et de comburant au lit circulant sont injectées de part et d'autre de la phase dense 18 de ce lit. Les gaz ou fumées du flux primaires 41 pénètrent dans la phase dense 18 par l'intermédiaire d'une grille perforée 8, ou de tout autre dispositif pouvant assurer une bonne répartition des gaz dans la masse de solides fluidisée. 2 609150 - 6 - Les gaz ou fumées du flux secondaires 51 sont injectées dans la zone de transition ou zone diluée du réacteur 19 dite également zone de dégagement. Ils peuvent être d'ailleurs réparties par plusieurs orifices suivant une même section droite ou des sections étagées relativement à l'axe de circulation dans le réacteur 6. Il en est de même pour l'introduction du flux primaire. La répartition contrôlée par des moyens appropriés tels des volets des fumées entre flux primaire 41 et secondaire 51 permet de maîtriser le déroulement de la combustion dans le réacteur 6 et d'agir sur le débit des solides entrainés hors de la zone dense 18 pour être recyclés. Ce recyclage s'effectue par l'intermédiaire du séparateur 10 qui peut être commodément un cyclone comme cela a déjà été dit précédemment. Le débit de recirculation est réglé par un dispositif de vannage 12 qui peut être de conception mécanique ou hydraulique, par exemple un siphon fluididé ou une "vanne en L". L'ensemble réacteur 6, cyclone 10 et jambe de liaison 20, qui constitue le lit circulant désulfurant 16, est protégé thermiquement par des revêtements réfractaires isolants 7 et 11. Les gaz désulfurés 21 quittent la partie supérieure du séparateur 10 pour alimenter la chaudière de récupération 13 et céder de l'énergie calorifique aux surfaces d'échange 14 qui veut être constituée de faisceaux tubulaires. Les fumées sont finalement évacuées par le conduit 15 et dirigées vers le système de filtration non représenté sur le schéma, qui peut être d'un type connu de l'homme de l'art. Le soutirage des déchets solides non recyclés ou ayant échappé au séparateur 10 du lit circulant 16 peut être effectué à la base de la chambre de combustion, par l'orifice 22 qui peut être obturé par une vanne 23, à la base de la phase dense 18 du lit circulant au niveau de la grille 8, par l'orifice 24 qui peut comporter une vanne 25 et/ou à - 7 - la base de la chaudière de récupération, par l'orifice 26 qui peut être obturé par la vanne 27. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1 qui concerne la production de vapeur non surchauffée, le fluide caloporteur 28 tel une émulsion eau vapeur provenant de la chambre de combustion est dirigé vers une capacité ou ballon sous pression 29 par une canalisation 30. Ce ballon situé en partie haute du générateur dans l'exemple de la figure 1 reçoit également dans cet exemple l'émulsion eau vapeur 28a provenant de la chaudière de récupération 13, par l'intermédiaire de la canalisation 30a. Le fluide stocké dans la capacité 29 est transféré sous forme de vapeur par une canalisation 31 vers un organe d'utilisation telle une turbine 32 un réseau de chauffage etc.... Le fluide caloporteur, après avoir cédé une partie de son énergie et après condensation dans un condensateur non représenté est réparti au moyens de vannage 33 entre l'alimentation en fluide caloporteur des faisceaux tubulaires 14 de la chaudière de récupération 13 et l'alimentation en fluide caloporteur du circuit d'irrigation de la chambre de combustion l, ce circuit pouvant comporter des conduits faisant partie intégrante des parois de cette chambre de combustion ou pouvant être formé par une lame d'eau. Le cheminement du fluide caloporteur entre la sortie de la turbine 32 et le vannage 33, l'alimentation des faisceaux tubulaires 14 et des conduits 34 se fait par les conduits 35, 36 et 37 représentés au moins partiellement en traits mixtes. Bien entendu ces conduits pourront être isolés thermiquement. La figure 2 donne un exemple de réalisation pratique d'une unité pour laquelle la compacité optimale a été obtenue en regroupant bords à bords le foyer 1, le réacteur 6 du lit circulant 16 et la chaudière de récupération 13. Les sections droites de ces différents éléments constitutifs sont rectangulaires (voir figure 3), ce qui permet d'établir d'étroits contacts thermiques entre eux, et de minimiser les pertes fatales des - 8 - parois vers le milieu ambiant. Sur la figure 2 la paroi 17 s'interrompt avant d'atteindre la partie inférieure 38 du foyer 1 et du réacteur du lit circulant 6 permettant ainsi la réalisation, simple, du passage inférieur 4. Sur cette figure n'ont pas été représentés le cyclone, les conduits de circulation du fluide caloporteur ainsi que le brûleur. La référence 39 désigne l'orifice permettant la mise en place du brûleur 3 (fig. 1). L'orifice 40 désigne l'orifice de sortie du réacteur 6 du flux circulant 42 en direction du séparateur 10. La référence 43 désigne l'orifice d'entrée des gaz 21 provenant du séparateur 10 et dirigé vers la chaudière de récupération 13 (fig. 1). Sur le mode de réalisation représenté à la figure 2, le lit circulant 6 ne se prolonge pas en hauteur de la même manière que le foyer 1, mais s'interrompt avant par la paroi 44. Celle-ci est surmontée d'un coffrage parallélépipèdique 45 en communication directe avec la chaudière de récupération 13 qui a également une forme parallélépipédique. l'orifice 46 correspond à la liaison de la jambe 20 (fig. 1) reliant le séparateur 10 (fig. 1) au réacteur du lit circulant 6 (fig. 1). La figure 3 représente une coupe au niveau du réacteur du lit circulant du générateur représenté à la figure 2. Sur cette figure 3 on s'aperçoit que le réacteur 6 du lit circulant 16 est isolé thermiquement sur ses quatre faces par le matériau désigné par la référence 47. La chambre de combustion a une paroi plane 48 commune à la fois au réacteur 6 du lit circulant en 49 et à la chaudière de récupération en 50. -9- La chaudière de récupération 13 et le réacteur 6 du lit circulant ont une paroi commune 52 qui est sensiblement perpendiculaire à la paroi plane 48. La figure 4 représente une variante de réalisation du dispositif selon l'invention pour laquelle c'est la chaudière de récupération 13 qui a une paroi plane 53 commune à la fois au foyer 1 et au réacteur 6 du lit circulant. La référence 54 désigne la paroi commune au foyer 1 et au réacteur 6, cette paroi pouvant être sensiblement perpendiculaire à la paroi plane 53 de la chaudière. Sur la figure 1 la vanne 33 peut être commandée en tenant compte de l'appel de puissance dû à la turbine 32, de la quantité de carburant consommé par le brûleur 3 et/ou de la température du réacteur 6 du lit circulant. L'introduction d'un combustible auxiliaire dans le lit circulant par exemple en 9, bien que non impérative permet un contrôle plus souple de la température du lit circulant. - 10 - RE V E N D I C AT I 0 N S 1. - Générateur thermique comportant une chambre de combustion, un lit circulant et une chaudière de récupération, caractérisé en ce que ledit lit circulant (16) et ladite chambre de combustion (1) ont une paroi commune (17). 2. - Générateur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite paroi commune (17) comporte au moins un orifice d'alimentation (1) du lit circulant en flux primaire (41). 3. - Générateur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite paroi commune (17) comporte au moins un orifice d'alimentation (5) du lit circulant en flux secondaire (51). 4. - Générateur thermique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite paroi commune (17) est une paroi froide. 5. - Générateur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite chambre de combustion (1) est à paroi froide (2; 17). 6. - Générateur selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que lesdites parois froides (2; 17) comportent une circulation d'un fluide. 7. - Générateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit lit circulant (16) et ladite chaudière de récupération (13) ont une paroi commune (52; 53). 8. - Générateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite chambre de combustion (2) et ladite chaudière (13) de récupération ont une paroi commune (48; 53). - 11 - 9. - Générateur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les parois du lit circulant comportent un revêtement en matériau isolant thermique (47).