Brevet FR2645046A1 — publié le 19901005

La présente invention concerne une grille de fluidisation pour produits solides granulaires perméabilité variable. La fluidisation d'un produit solide granulaire est un état physique particulier qui se produit au cours de la traversée d'un solide granulaire par un courant gazeux ascendant. Le solide granulaire gonfle, s'expanse et se comporte comme un liquide en ébullition, le contenu des matériaux soumis à la fluidisation est dénommé lit fluidisé, et le support matériel d'un lit fluidisé est constitué par une grille de fluidisation. La propriété physique de fluidisation est utilisée depuis de nombreuses années pour des applications industrielles diverses telles que calcination, combustion des combustibles solides, gazéification, séchage, etc... L'évolution de la réglementation qui vise protéger l'environ- nement a accéléré le développement des foyers b lit fluidisé, pour la combustion des combustibles solides : charbon, lignite, et des combustibles liquides sulfureux. Compte tenu de la température de combustion relativement basse ( 12000C), la combustion en lit fluidisé permet de réduire l'émission de polluants gazeux émis au cours de la combustion. A une température de combustion inférieure à 9500, la formation d'oxyde d'azote Nox est faible, et l'apport de calcaire au sein du lit permet de capter dans une large mesure le dioxyde de soufre présent dans les gaz de combustion, pour former du sulfate de calcium qui est sans danger pour 1' environnement. Les grilles de fluidisation existent sous de très nombreuses formes géométriques, pyramides, champignons, tubes, etc.. La géométrie fixe des grilies existantes nécessite d'exploiter chacune d'elle & a intérieur de limites relativement restreintes et de choisir un compromis entre : d'une part, la distribution uniforme des gaz de fluidisation sur toute la superficie de la grille de fluidisation obtenue par équilibrage aérodynamique et, d'autre part, une perte de charge statique de la grille de fluidisation économiquement acceptable en regard de la consommation électrique importante absorbée par le ventilateur de fluidisation. Le dispositif, objet de l'invention permet de s'affranchir dans une certaine mesure de ces contraintes. Le dispositif selon l'invention est une grille de fluidisation constituée de profilés creux juxtaposés dont les faces en vis à vis délimitent un canal longiligne de circulation des gaz constitué par trois espaces contigüs qui ont chacun une fonction distincte - un pavillon d'entrée en forme de siphon qui assure la retenue des matériaux du lit au repos - un couloir d'insufflation en forme de diffuseur aérodynamique, dont l'angle inscrit entre les deux parois est voisin de 7 , ce qui permet de convertir une partie importante de la pression dynamique en pression statique.Ce profil a pour effet de réduire la perte de charge statique de la grille de fluidisation et, par conséquent de limiter la consommation électrique du moto-ventilateur de fluidisation - un vé longiligne dont les parois en contact avec les matériaux du lit produisent l'échange calorifique avec le fluide liquide ou gazeux qui évacue la chaleur prélevée au sein du lit Le fluide de refroidissement des profilés creux peut être liquide; telle l'eau, un fluide thermique etc.., ou gazeux, tel l'air, un melange d'air et de fumées recyclés, ou de vapeur d'eau etc.. La nature du fluide de refroidissement est essentiellement fonction de l'usage de la grille de fluidisation. Lorsque le fluide de refroidissement est un liquide, les profilés creux sont reliés sur unie de leurs faces aux conduites d'alimentation et d'évacuation du liquide de refroidissement, les conduites sont elles mOrnes raccordées à des collecteurs. Lorsque le fluide de refroidissement est constitué par le gaz de fluidisation, ce gaz balaye les parois internes des profilés creux avant de traverser les canaux de circulation de la grille de fluidisation. Selon une réalisation de l'invention, chaque profilé conserve un degré de liberté de position qui engendre une variation de la section des canaux de circulation des gaz. Cette caractéristique autorise l'ajustement de la perméabilité de la grille de fluidisation en fonction des besoins. Selon une réalisation de l'invention,les parois supérieures des profilés juxtaposés délimitent une surface d'échange calorifique entre les matériaux du lit et la grille de fluidisation. Cette surface qui est proportionnelle à la largeur des côtés en forme de vé des parois est subordonnée à l'angle au sommet du profilé. Le choix de cet angle conditionne la surface de refroidissement du lit qui est déterminée en fonction des parametres de fonctionnement (taille, caractéristiques du combustible, température du lit etc..) Selon une variante de réalisation de l'invention la perméabilité de la grille de fluidisation est ajustée automatiquement selon un paramètre représentatif de l'allure de fonctionnement : notamment la température du lit qui évolue selon l'allure du~foyer. La section des canaux de circulation d'air,qui est définie par la position relative des profilés en vis & vis, est assujettie b des entretoises rigides fixées aux conduites de refroidissement qui sont disposées en suspentes ; la dilatation linéaire des entretoises en fonction de la température régnant au sein du lit fluidisé produit une poussée mecanique qui tend écarter les conduites de suspension et, par conséquent augmente l'espacement entre chaque profilé creux. Ce mécanisme réversible consécutif la dilatation linéaire des entretoises modifie automatiquement la perméabilité de la grille en fonction de la température du foyer. Les entretoises rigides sont reliées aux suspentes de refroidissement tubulaire par des liaisons mécaniques démontables pour permettre d'ajuster l'amplitude du débattement entre chaque profilé : la posi-- tion du point de poussée définit la valeur de démultiplication de la dilatation linéaire des entretoises. Selon une variante de l'invention, la grille de fluidisation composée de profilés creux juxtaposés est inclinée par rapport å la position horizontale. Cette position entraine une hétérogénéité de hauteur du lit inhérente a ce que la superficie supérieure du lit demeure horizontale (le comportement des matériaux solides d'un lit fluidisé est comparable å un pseudo liquide en ébullition). La pente de la grille favorise le classement granulométrique au sein du lit, les matériaux de granulométrie plus grossière se déplacent vers la zone la plus basse de la grille de fluidisation et, inversement, le déplacement des grosses particules s'effectue par des "sauts de puce"successifs. La position inclinée de la grille de fluidisation est utilisée lorsque le classement granulométrique l'intérieur du lit est sciemment recherché dans le but d'optimiser le régime de fluidisation, en fonction de l'éventail granulométrique des matériaux qui composent le lit. Une légère inclinaison de la grille de fluidisation permet d'extraire du lit les matériaux ou agglomérats de grosseur inadaptée, qui se localisent dans la partie la plus basse de la grille de fluidisation. Selon une variante de l'invention, le fluide de refroidissement qui parcourt les profilés creux est le fluide gazeux nécessaire à la fluidisation et à la combustion. Ce fluide gazeux est habituellement de l'air comburant. Cette configuration est utilisée lorsque l'évacuation de la chaleur dissipée l'intérieur du lit s'avère nécessairement faible pour maintenir une température adéquate. Exemple : Calcination des schistes ou. séchage. Le refroidissement de la grille de fluidisation obtenu par l'air nécessaire à la combustion et la fluidisation améliore la qualité de la combustion au sein du lit, cet effet est consécutif a la quantité de chaleur apportée par l'air de fluidisation préalablement réchauffé. Selon une variante de l'invention, un déflecteur mobile placé au-dessus de chaque canal de circulation des gaz de fluidisation modifie l'expansion du jet gazeux l'embouchure du diffuseur. La position verticale du déflecteur flottant dans la veine gazeuse, dans l'axe du diffuseur est fonction de la vitesse du flux, telle une balle en sustentation dans un jet d'air ascendant. A faible vitesse ou à l'arret, le déflecteur mobile se positionne , par gravité, à proximité du col du diffuseur, les parois en vis a vis du déflecteur et des profilés creux de la grille de fluidisation délimitent deux canaux secondaires de circulation des gaz dont la section totale est inférieure b celle du diffuseur. Cette position du déflecteur réduit la perméabilité de la grille de fluidisation et, modifie le profil d'expansion du jet lamellaire de fluidisation qui est dévié bilatéralement par rapport a l'axe du canal principal. Le profil de distribution d'air de fluidisation obtenu dans cette position a pour effet de balayer superficiellement les parois en vé de la grille avec le flux gazeux et de limiter ainsi les échanges calorifiques entre les matériaux du lit et la grille de fluidisation. Aux allures plus élevées le déflecteur flottant est soumis aux forces de frottement du flux gazeux ascendant et aux lois de la gravitation; il s'élève et prend une position d'équilibre stable, qui est fonction de la vitesse du flux gazeux. Dans cette configuration, le déflecteur flottant ne délimite plus de canaux secondaires et n'affecte pas le profil d'expansica naturel du jet lamellaire de fluidisation qui est détache des parois de la grille. Le profil d'expansion du jet lamellaire obtenu dans cette position a pour effet de provoquer un courant descendant du lit au contact avec les parois des profilés et produit ainsi l'échange calorifique entre les matériaux dulie et la grille de fluidisation. Le dispositif peut être réalisé en métal ou en alliage métallique ,résistant aux contraintes mécaniques tt thermiques rencontrées selon l'utilisation. Le déf lecteur mobile peut être réalise en métal, alliage métallique,ou matière minérale. La figure 1 représente en perspective l'assemblage de plusieurs profilés creux juxtaposés qui composent une grille de fluidisation. La figure 2 représente en perspective une variante dans la forme des profilés juxtaposés qui composent une grille de fluidisation. La figure 3 représente en perspective le raccordement de la grille de fluidisation au circuit de refroidissement situé en dessous. La figure 4 représente en perspective le raccordement de la grille de fluidisation au circuit de refroidissement situé au-dessus ainsi que la position des entretoises. La figure 5 représente en perspective une grille de fluidisation inclinée et le mécanisme cinématique de déplacement des grosses particules vers la partie basse de la grille. La figure 6 represente en perspective une grille de fluidisation composée de profilés parcourus par le flux gazeux utilisé simultanément pour le refroidissement des profilés et la fluidisation du lit. La figure 7 représente en perspective plusieurs profilés d'une grille de fluidisation équipée de déf lecteurs mobiles "flottant". Le dispositif représenté sur la figure 1 comporte des profilés creux (1) juxtaposés sur le même plan, parcourus & å l'intérieur par un liquide de refroidissement. Les faces en vis å vis de chaque profilé (1) matérialisent un canal longiligne de circulation des gaz. Le profil de ce canal détermine trois espaces contigUs qui ont chacun une fonction distincte. La partie inférieure du canal (2) assure le double rôle de pavillon d'entrée et de siphon de retenue des matériaux du lit fluidisé au repos. La zone centrale du canal (3) a un profil de diffuseur aerodyna- mique dont l'angle compris entre les deux parois est voisin de 70, il a pour effet de convertir partiellement la pression dynamique des gaz en pression statique. La partie supérieure du profilé creux en forme de vé t4) constitue la surface d'échange calorifique entre les matériaux du lit et le liquide de refroidissement qui parcourt chaque profilé. Dans la forme de réalisation représentée en variante selon la figure 2, les profilés creux se decomposent en deux parties indépendantes (1) et (5) placées l'unie au-dessus de l'autre, de maniere a produire les fonctions decrites au paragraphe précédent : siphon, diffuseur, surface d'échange. Cette disposition simplifie la construction mecanique de la grille de fluidisation par un dépouillement des formes géométriques, au détriment du nombre de pieces qui double. Selon une variante, les profilés creux (5) ne sont pas parcourus par un liquide de refroidissement. L'angle (a) formé par les deux faces (4) supérieures d'un même profilé 1) est déterminé afin d'obtenir la surface d'échange calorifique nécessaire pour limiter la température du lit une valeur adéquate. Dans la forme de réalisation représentée en variante selon la figure 3, les profilés (1) juxtaposés sont reliés a des collecteurs (6) par l'intermédiaire de conduites de liaison (7) raccordées sous les éléments de grille. Les collecteurs Dans la forme de réalisation représentée en variante selon la figure 4, les profilés juxtaposés (1) sont reliés à des collecteurs (6) par l'intermédiaire de conduites de liaison (7) raccordées au-dessus des éléments de grille. Les collecteurs (6) et conduites de liaison (7) permettent la circulation du liquide de refroidissement l'intérieur de chacun des profilés (1) qui composent la grille de fluidisation. Des entretoises (8) fixées mécaniquement aux conduites de liaison (7) déterminent le pas (e) entre chaque profilé (1 > . La dilatation linéaire dû à l'augmentation de la température des entretoises (8) développe une poussée mécanique bilatérale sur les conduites (7) qui ont un degré de flexibilité par rapport å un point fixe, et modifie ainsi le pas (e) entre profilés (1). L'écartement entre les profilés, assujettit la section du canal de circulation des gaz de fluidisation (2) (3). La perméabilité de la grille de fluidisation est directement subordonnée à la rection ouverte de circulation des gaz entre chaque profilé (1). Le mécanisme d'origine thermique produit par la dilatation linéaire des entretoises (8) en fonction de la température du lit, est réversible et automatique, la perméabilité de la grille de fluidisation augmente lorsque la température du lit s'élève et inversement, cette caractéristique améliore aux basses allures la répartition des gaz de fluidisation au travers de la grille et du lit fluidisé, et réduit aux fortes allures la pression statique nécessaire pour vaincre la perte de charge de la grille de fluidisation. La distance (x) entre les collecteurs (6) et les entretoises (8) fixée sur les conduites d'alimentation (7) détermine l'amplitude du débattement entre chaque profilé (1) qui est démultiplié par rapport la dilatation linéaire des entretoises (8). La demultiplication est réglable en modifiant la valeur de (x). Lorsque la valeur (x) est faiblie8 la démultiplication est importante, lorsque les entretoises (8) se rapprochent de la grille8 la valeur de x est élevée;l'amplitude de debattement se rapproche de la valeur de la dilatation linéaire des entretoises (8). Cette caractéristique permet d'ajuster la plage de perméa- bilité de la grille en fonction des conditions de fonctionnement. Dans la forme de réalisation représentée selon la figure 5, la grille de fluidisation est inclinée par rapport å la position horizontale (h) d'un angle (12). L'orientation du flux gazeux a l'embouchure du diffuseur (3) est perpendiculaire & l'axe longitudinal des profilés creux tel), de ce fait l'axe du flux est orienté de l'angle (12) par rapport la verticale, au delà. a une certaine distance du diffuseur et compte tenu de la position verticale des parois qui matérialisent l'enceinte du lit fluidisé, la direction du flux gazeux s'oriente dans une position verticale ascendante. Les particules de grosses dimensions (13) introduites dans le lit fluidisé sont soumises a l'orientation du flux gazeux et suivent la trajectoire (11), puis par "sauts de puce" successifs se déplacent tout au long de la grille de fluidisation, en direction de la zone la plus basse en passant de la position (13) a la position (14). Les particules de faibles dimensions sont peu affectées par ce mouvement unidirectionnel, car elles subissent essentiellement un flux gazeux ascendant vertical. Ce mécanisme cinématique a pour effet de produire un classement granulométrique des matériaux au sein du lit plus ou moins important selon l'angle (12) donné a l'inclinaison de la grille c.- fouidisation. L'inclinaison de la grille est retenue sciemment pour extraire å l'une des extrémités du lit les particules ou agglomérats les plus gros, ou pour exploiter utilement les conséquences du classement granulo métrique au sein du lit. Dans la forme de réalisation représentée en variante selon la figure 6, les profilés juxtaposés (1) et (5) qui constituent la grille de fluidisation sont ouverts, de manière à ce que le fluide gazeux de fluidisation parcourt au préalable l'intérieur des profilés (1) selon le cheminement (10) dans le but de produire l'échange calorifique au travers des surfaces (4) des profilés (1) nécessaire au refroidissement du lit fluidisé. L'échange calorifique au travers des parois (4 > a pour conséquence de réchauffer le gaz de fluidisation introduit au sein du lit. Lorsque la nature du gaz de fluidisation utilisé est l'air comburant,ceci améliore la qualité de combustion consécutivement a l'apport de chaleur sensible par l'air. Cette forme de réalisation est utilisée lorsque le niveau de température au sein du lit n'excède pas une valeur susceptible de détériorer les profilés (1) de la grille de fluidisation, et lorsque la quantité de chaleur à évacuer au sein du lit s'avère nécessairement faible pour maintenir une température du lit adéquate. Dans la forme de réalisation représentée en variante selon la figure 7, la grille de fluidisation comporte des déflecteurs mobiles (9) longilignes placés à l'embouchure de chaque diffuseur (3), la position verticale des déflecteurs (9) dans l'axe du jet est fonction de la vitesse ascendante du flux gazeux. Le rôle de ce déflecteur (9) est de modifier le profil d'expansion du jet selon l'allure de fonctionnement. A faible allure et au repos, le déf lecteur (9) se situe b proximité du col du diffuseur (3), les parois du déflecteur (9) et des profilés (4) en vis vis matérialisent deux canaux secondaires, les jets gazeux issus de ces canaux balayent superficiellement les parois (4) ce qui limite ainsi le contact entre les matériaux du lit et les surfaces d'échange calorifique (4) immergées au sein du lit. A forte allure, le déflecteur mobile t9) s'élève et prend une position d'équilibre aérodynamique qui est subordonnée & la vitesse du flux gazeux ascensionnel. Le profil d'expansion du jet du col du diffuseur (3) n'est plus affecté par la présence du déflecteur (9), le mouvement de convection des matériaux du lit en contact direct avec les parois (4) augmente l'échange calorifique entre le lit et la grille de fluidisation. Le déflecteur flottant (9) permet d'autoréguler dans une certaine mesure d'échange calorifique entre la grille de fluidisation et les matériaux granulaires du lit, en modifiant le régime de fluidisation en sortie des diffuseurs (3). Une élévation de l'allure et de la vitesse de fluidisation a pour conséquence d'augmenter les échanges calorifiques et inversement. A faible allure, la position basse du déflecteur flottant (9) produit une réduction de la perméabilité de la grille de fluidisation, et induit une perte de charge statique supplémentaire favorable a l'homogénéité de la distribution des gaz de fluidisation dans le lit. Aux allures modérées et élavées, le déflecteur flottant (9) s'éloigne du col du diffuseur Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné équiper les chambres de combustion des chaudieres. Dans cette application de foyer, son champ d'utilisation concerne les lits fluidisés denses, circulants et circulants lents. Les autres usages potentiels du dispositif sont les mêmes que ceux des lits fluidisés courants : calcination, gazéification, séchage etc.. REVEHDICATXOSS 1) Dispositif de fluidisation pour produits solides granulaires caractérisé en ce qu'il comporte des profilés longilignes (1) juxtaposés qui composent ensemble une grille de fluidisation. Les parois en vis a vis des profilés materialisent un canal de circulation des gaz de fluidisation comprenant un siphon (2) de retenue des matériaux solides formant pavillon d'entrée des gaz un diffuseur (3) aérodynamique une surface d'appui (4) et d'échange calorifique avec les matériaux du lit fluidise. 2) Dispositif selon la revendication n0l caractérisé en ce que les profilés juxtaposés 3) Dispositif selon les revendications n01 et n02 caractérisé en ce que les profilés juxtaposés 4) Dispositif selon la revendication n03 caractérisé en ce que des conduites (7) d'alimentation et de sortie du liquide de refroidissement sont raccordées sur l'une des faces des profilés creux (1). 5) Dispositif selon la revendication n04 caractérisé en ce que l'espacement entre chaque profilé 1) est maintenu par des entretoises rigides (8). 6) Dispositif selon la revendication n05 caractérisé en ce que les entretoises rigides (8) sont fixées aux cond-tes (7) d1alimentation et de sortie du liquide de refroidissement à une -stance variable (x) par rapport à un point fixe. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un déflecteur mobile (9) est placé b l'embouchure de chaque diffuseur (3). 8) Dispositif selon la revendication n07 caractérisé en ce que le déflecteur mobile (9) est un profilé longiligne plein ou creux. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la grille de fluidisation composée de profilés (1) juxtaposés est inclinée par rapport å la position horizontale. 10) Dispositif selon la revendication n03 caractérisé en ce que le parcours (10) du fluide gazeux de refroidissement des profilés (1) juxta posés rejoint le canal de circulation du gaz de fluidisation de même nature. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est réalisé en métal, alliage métallique ou matière minérale.