Brevet FR2624401A1 — publié le 19890616

Les techniques de fluidisation d'une matière pulvé- rulente sont bien connues et trouvent une application inté- ressante dans le domaine des chaudières ou plus généralement des enceintes de réactions exothermiques. Dans cette appli- cation particulière il convient d'extraire le plus efficace- ment possible les calories libérées par ta réaction ou la combustion. Cette extraction est le plus souvent opérée au moyen d'un échangeur de chaleur, généralement tubulaire, parcouru par de l'eau sous pression qui se vaporise, qui s'étend et/ou sur les parois du foyeret/ou au coeur même du lit fluidisé dans des zones privilégiées o les conditions de corrosion et d'érosion sont jugées moins importantes. Ces tubes sont donc situés audessus de la grille de fluidisation qui elle, de manière connue, comporte des ouvertures de souf- flage de gaz de fluidisation (en général de l'air) qui diver- gent vers le haut, qui peuvent être complétées par des ouver- tures d'arrivée d'un air additionnel. Ces dernières ouvertu- res sont placées au sommet de petites cheminées intercalées entre les ouvertures divergentes et l'air qui en sort est orienté plutôt horizontalement ou vers le bas au moyen d'un défléc- teur ou grâce.à une disposition particulière des orifices de distribution. La présente invention entend proposer une améliora- tion importante à ce type de réacteur à lit fluidisé, qui consiste en une grille refroidie, permettant de maîtriser plus facilement la température au sein du lit que par des échan- geurs de chaleur qui y sont placés et qui donc s'usent très rapidement, permettant également un réchauffage de l'air addi- tionnel de fluidisation, et assurant un refroidissement de la grille qui a pour conséquences d'en augmenter la longévité. a A cet effet, l'invention a donc pour objet une grille de fluidisation d'une masse de matériau pulvérulent pour réacteur exothermique à lit fluidisé, comportant dans l'épais- seur d'une paroi des ouvertures adjacentes d'arrivée d'un gaz de sustentation du matériau situé du c8té de sa face supérieure, ces ouvertures étant divergentes en direction de la masse à fluidiser, dans laquelle grille les parois divergentes de chaque ouverture comportent des tubulures de circulation d'un fluide de refroidissement. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la grille est constituée par la superposition de nappes de paires de tubes parallèles, chaque nappe croisant une nappe adjacente et l'écartement des tubes de chaque paire dans la nappe étant croissant avec l'altitude de la nappe dans la grille. L'angle de croisement peut être quelconque, mais, d'une valeur égale à 90 , il permettra de constituer des ou- vertures pyramidales à base carrée ou rectangulaire. On peut dans le cadre de l'invention prévoir un angle de croisement de 1200 ce qui permet de réaliser des ouvertures pyramidales à base hexagonale. Pour rendre la grille étanche, en dehors des ouver- tures d'amenée d'air de fluidisation, les parois de chaque cellule pyramidale ainsi constituée sont complétées entre les tubes parallèles de deux nappes différentes par des plaques de liaison soudés aux tubes entre leurs génératrices les plus voisines. En outre, dans le cas, notamment, d'une grille à cellules pyramidales à base carrée, les tubes adjacents de deux paires consécutives de la nappe supérieure peuvent être accolés ou reliés par une plaque de liaison ou peuvent être confondus tandis que les tubes correspondants de la nappe immédiatement inférieure sont réunis par des plaques de liaison horizontales. Selon les variantes de réalisation de ce premier mode, les nappes de tubes peuvent être raccordées à des conduits périphériques qui constituent répartiteur ou collecteur de fluide, ou bien ces tubes peuvent être directement raccordés aux tubes d'échange de chaleur qui, classiquement tapissent la paroi de l'enceinte du réacteur ou de la chaudière. Dans un second mode de réalisation, la grille est constituée par une juxtaposition de cellules évasées dont la paroi est constituée par au moins une tubulure enroulée héli- coidalement à spires jointives. Chacune des cellules est réunie à l'une de ses voisines par des plaques soudées sen- siblement dans le plan de leur plus grande section. Dans ce mode de réalisation, on peut également prévoir sur la surface supérieure de la grille un réseau de collec- teurs parallèles auquel est connectée chacune des extrémités aval des tubulures, ces collecteurs étant eux-mêmes reliés par leurs deux extrémités à des conduits communs d'o sont issus des tubes échangeurs de chaleur s'étendant verticalement le long des parois d'une enceinte de confinement du lit flui- disé, ou prévoir que chaque tubulure soit raccordée par son extrémité aval à un tube vertical d'échange de chaleur. L'invention sera mieux comprise au cours de la des- cription donnée ci-après à titre d'exemple purement indicatif et non limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. Il sera fait référence aux dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 est une vue de dessus d'une grille de fluidisation conforme à l'invention, - la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une coupe selon la ligne III-III de la figure 1, - la figure 4 illustre par un schéma en coupe un second mode de réalisation d'une grille selon l'invention, - la figure 5 est une vue schématique de dessus de la figure 4, - la figure 6 montre en coupe une variante de la figure 4, - la figure 7 est une vue schématique de dessus de cette variante, - les figures 8 et 9 illustrent schématiquement deux chaudières équipées de grilles selon l'invention. En se reportant tout d'abord aux figures 1 à 3, on voit une grille de fluidisation conforme à l'invention qui est constituée par une superposition de sept nappes de tubes parallèles, les nappes étant croisées successivement à 90 . Ainsi la nappe inférieure 1 comporte les paires de tubulures la, lb, lc, ld, le, 1f; les tubes de chaque paire sont écar- tés d'une valeur qui définit la plus petite dimension des ouvertures divergentes de la grille. La seconde nappe 2 compor- te les paires de tubes 2a - 2f, et est orientée à 90 par rapport à la première. L'écartement des tubes dans chaque paire est un peu plus important que dans la première nappe. Dans la troisième nappe 3, les paires de tubes 3a à 3f sont parallèles à celles de la nappe 1, et l'écartement des tubes dans chaque paire est encore agrandi. On constitue ainsi six premières nappes dans lesquelles les tubes de chaque paire sont de plus en plus écartés pour définir, comme le montrent les figures I à 3, des ouvertures pyramidales. Dans la septième couche, qui est la nappe supérieure, les tubes 7a à Zd sont espacés, comme si les tubes adjacents de chaque paire voisine étaient confondus en un seul tube. La structure pyramidale de la grille est complétée, pour ce qui concerne les parois des ouvertures, par des por- tions de tôles 8 qui sont soudées aux tubes dans un plan dia- métral de ces derniers entre leurs génératrices les plus pro- ches. Alors que dans une direction, les ouvertures pyramida- les sont bordées par les tubes 7a....7d, dans l'autre direc- tion elles sont séparées par des bandes métalliques 9 soudées aux tubes adjacents de paires consécutives au travers des- quelles de l'air (ou gaz) supplémentaire de fluidisation peut être admis au-dessus de la grille. L'arrivée de gaz ou d'air principal est réalisée, de manière connue, à la base des cellules pyramidales, au moyen de canalisations 10. Chaque tube de chaque nappe a son extrémité raccor- dée à des tubes répartiteurs ou collecteurs placés à la péri- phérie de la grille. Dans le cas représenté, l'arrivée d'eau de refroidissement s'effectue par le répartiteur 11, l'eau circulant ensuite dans les nappes de références paires pour être recueillie par le collecteur intermédiaire 12, à par- tir duquel elle est dirigée vers le répartiteur 13.; elle traverse ensuite les nappes de références impaires pour aboutir au collecteur 14. L'eau,après avoir circulé dans la grille et été collectée, est transmise aux tubes d'échange de chaleur qui existent dans les chaudières à lit fluidisé, soit au sein même du lit, soit le long des murs de foyerO On peut raccor- der directement les tubes de la grille de fluidisation aux tubes de foyer, sans sortir du cadre de l'invention. L'air complémentaire de fluidisation, qui après avoir traversé les parois 9, est introduit au-dessus de la grille au moyen de buses 15 desquelles il est soufflé soit horizontalement, soit vers le bas au moyen d'un déflecteur 15a, peut être amené sous la grille, dans un caisson ou boite a vent 16, dont la grille constitue la paroi supérieure. Sur les figures 4 et 5 on a représenté schémati- quement un autre mode de réalisation d'une grille selon l'in- vention qui comporte toujours des ouvertures 17 divergentes d'admission principale d'air de fluidisation, conduit à leur base 17a. La paroi de chacune de ces ouvertures est constituée par une tubulure 18 enroulée hélicoidalement (ici autour d'une surface conique) et raccordée à un répartiteur d'ali- mentation en eau 19, à sa base et à un collecteur 20 disposé à la surface supérieure de la grille. La surface gabarit sur laquelle est formé l'enroulement hélicoldal peut être de. toute forme conique ou pyramidale. Un cordon de soudure relie les spires jointives pour assurer l'étanchéité aux gaz de la paroi. De même que dans le cas précédent, les collecteurs 1Q peuvent constituer directement les tubulures d'échange de chaleur de la chaudière elle-même, notamment le long de ses parois. On remarquera également que la grille forme la paroi supérieure d'un caisson 21 d'alimentation en air complémen- taire de fluidisation qui débouche au-dessus de la grille par les ouvertures 22a mémagées dans La paroi 22 de liaison des cellules coniques au niveau de leur plus grand diamètre. Dans une variante non représentée, l'enroulement hélicoîdal peut être à spires non jointives. Dans ce cas, une plaque de liaison également hélicoïdale s'étend entre deux spires consécutives. Aux figures 6 et 7, la variante de réalisation des figures précédentes montre que les tubulures 18 hélicoîdales sont directement et individuellement prolongées par des tubes 1Q verticaux 23 qui forment les tubes de la chaudière logés verticalement dans le foyer. Les autres dispositions restent identiques. Cette disposition est particulièrement avanta- geuse car elle permet la mise en place, au coeur de la combus- tion, quand il s'agit d'une chaudière, de tubes d'extraction de chaleur verticaux qui sont beaucoup moins soumis à l'abra- sion et l'érosion du tube classique dans le lit. La figure 8 montre schématiquement une chaudière 30 mettant en oeuvre une grille 31 conforme à l'invention. Cette chaudière comporte une centrale 32 de ventilation, une source d'eau 33 qui alimente les tubulures de la grille 31, pour ensuite circuler directement dans les tubes de chaudière 34 avant de rejoindre un collecteur eau-vapeur 35 et traverser un surchauffeur 36 situé dans le conduit de collecte des fumées et gaz chauds 37. Sur cette figure, les tubes de chaudière sont, comme en figures 6 et 7, directement reliés à la grille, à la verticale de chaque extrémité de tubulure 18. Sur la figure 9 en revanche, on a représente schéma tiquement une grille 31 qui comporte, comme dans le cas des figures 1 à 5, des collecteurs 37 d'eau chauffée dans la grille, desquels les tubes 39 partent, le long des parois de la chaudière, pour atteindre le collecteur 35 et le surchauf- feur 36. L'invention permet tout d'abord un refroidissement efficace de la grille, ce qui allonge sa durée de vie. Elle permet également d'extraire plus efficacement les calories dégagées Lors de la combustion. Du fait que Les parois des ouvertures divergentes sont, par leur face extérieure, au contact de l'air additionnel de'fluidisation présent dans le caisson, iL se produit un échauffement de cet air addi- tionnel qui favorise la combustion. Enfin, La conduite et la régulation du fonctionnement de La chaudière sont grandement améliorées grâce au refroidissement de la grille. L'invention trouve une application intéressante dans le domaine de la production d'énergie. REVENDICATIONS 1. Grille de fluidisation d'une masse de matériau pulvérulent pour réacteur exothermique à lit fluidisé, com- portant dans l'épaisseur d'une paroi des ouvertures adjacen- tes (17) d'arrivée d'un gaz de sustentation du matériau situé du côté de sa face supérieure, ces ouvertures étant divergentes en direction de la masse à fluidiser, caractérisée en ce que les parois divergentes de chaque ouverture comportent des tubulures (1-7, 18) de circulation d'un fluide de refroidis- sement. 2. Grille selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est constituée par la superposition de nappes (1-7) de paires de tubes parallèles, chaque nappe croisant une nappe adjacente et l'écartement des tubes de chaque paire dans la nappe étant croissant avec l'altitude de la nappe dans la grille. 3. Grille selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'angle de croisement est de 90 . 4. Grille selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisée en ce que les parois de chaque cellule pyrami- dale, ainsi constituée, sont complétées entre les tubes (1d, 3d; 2d, 4d) parallèles de deux nappes (1,3; 2,4) différen- tes par des plaques (8) de liaison soudées aux tubes entre leurs génératrices les plus voisines. 5. Grille selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les tubes adjacents de deux paires consécutives de la nappe supérieure (7) sont confondus tandis que les tubes correspondants de la nappe (6) immédiatement inférieure sont réunis par des plaques (9) de liaison hori- zontales. 6. Grille selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que chaque ensemble de tubes paral- lèles est raccordé à chacune de ses extrémités à un conduit (11,12,13,14) disposé à la périphérie supérieure de la grille. 7. Grille selon la revendication 6, caractérisée en ce que la circulation du fluide dans les tubulures est réaliséedepuis un conduit (11) répartiteur connecté à l'extrémité amont d'un ensemble (2,4,6) de tubes parallè- les jusqu'à un collecteur (14) connecté à l'extrémité aval d'un autre ensemble (1,3,5) de tubes parallèLes, lesdits ensembles de tubes étant parcourus successivement par le fluide circulant du répartiteur (11) au collecteur (14). 8. Grille selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est constituée par une juxtaposition de cel- lules évasées (17) dont la paroi comporte au- moins une tubulure (18) enroulée hélicoidalement. 9. Grille selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque cellule (17,18) est réunie à ses voisines par des plaques (22)soudées sensiblement dans le plan de leur plus grande section. 10. Grille selon la revendication 8 ou la revendi- cation 9, caractérisée en ce qu'elle comprend sur sa surface supérieure un réseau de collecteurs (20) parallèles auquel est connectée chacune des extrémités aval des tubulures (18), ces collecteurs (20) étant eux-mêmes reliés par leur deux extrémités à des tubes (38) échangeurs de chaleur s'éten- dant verticalement le long des parois d'une enceinte de confinement du lit fluidisé. 11. Grille selon La revendication 8 ou la revendi- cation 9, caractérisée en ce que chaque tubulure (18) a son extrémité aval raccordée à un tube vertical (23,34) d'échange de chaleur. 12. Grille selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce qu'elle forme la paroi supérieure d'un caisson (21) d'alimentation en gaz addition- nel de fluidisation dont les orifices de sortie (15, 22) sont ménagés entre les ouvertures divergentes (17).