Brevet FR2657683A1 — publié le 19910802

i La présente invention concerne un ensemble de combustion, capable d'assurer une circulation. Plus précisément, l'ensemble de combustion comporte essentiellement une chambre de réacteur qui contient au moins un séparateur de particules La chambre de réacteur est en position sensiblement verticale La structure de la paroi verticale au moins de la chambre du réacteur est destinée à former une surface de transfert de chaleur. Cette surface de transfert de chaleur est réalisée avec une structure tubulaire, la circulation d'un fluide de trans- fert de chaleur étant réalisée à l'intérieur Une réaction exothermique de combustion, dite en lit fluidisé, est réalisée à la partie inférieure de la chambre du réacteur à l'aide de combustible et d'air qui sont introduits, et les gaz brûlés formés, contenant des matières solides, remontent dans la chambre du réacteur Le séparateur de particules est du type à cyclone et comporte deux enve- loppes verticales et sensiblement coaxiales, l'une étant pratiquement placée dans l'autre La première enveloppe ou enveloppe externe, a une entrée de gaz brûlés En outre, la première enveloppe est munie, à sa partie inférieure et sous forme de préférence raccordée par une partie tronco- nique, d'un conduit de retour des matières solides séparées des gaz brûlés dans le séparateur de particules afin que les matières solides reviennent dans la partie inférieure de la chambre du réacteur La seconde enveloppe ou enve- loppe interne, est raccordée, à sa partie supérieure, à l'étage suivant de traitement afin que les gaz brûlés pratiquement dépourvus de matières solides et circulant dans l'enveloppe interne soient transportés vers' l'étage suivant de traitement. On peut considérer qu'un ensemble de combustion de ce type est connu essentiellement d'après le document de F.A Zens, "Fluidization and Fluid Particle Systems", Pemm- Corp Publications, vol II, Draft 1989, pages 333-334. Cette publication concerne un réacteur à lit fluidisé dit "bouillonnant" Etant donné sa structure et ses propriétés de circulation, le réacteur présenté est cependant si peu commode qu'il n'en n'existe pas d'application pratique, surtout des applications dans lesquelles la chambre du réacteur contient un séparateur de particules. On peut considérer de façon générale que les chau- dières à lit fluidisé mettant en oeuvre une technique de réaction avec circulation, technique à laquelle se rapporte la présente invention, rencontrent un succès de plus en plus grand dans les applications techniques puisqu'elles permettent une réduction des émissions des oxydes de soufre et d'azote aux niveaux nécessaires pour de très faibles coûts Dans le cas des combustibles contenant du soufre en particulier, l'économie donnée par le réacteur à circula- tion est excellente lorsque la puissance calorifique de l'installation est inférieure à 200 MW Dans les applica- tions techniques, le but essentiel de la combustion est la production d'énergie thermique qui est ensuite transmise au fluide de transfert de chaleur de la chambre du réacteur, ce fluide étant habituellement de l'eau En conséquence, les parois de la chambre du réacteur contiennent habituel- lement une structure tubulaire formée par plusieurs tubes parallèles et des ensembles à ailettes raccordant les tubes et formant une structure à panneau étanche aux gaz Tradi- tionnellement, les séparateurs de particules et le circuit de retour des matières solides sont des structures placées séparément et indépendantes de la chambre du réacteur à circulation Le séparateur de particules et le circuit de retour forment normalement une structure externe de support d'acier et une couche céramique interne qui est destinée à isoler la structure d'acier par rapport à la suspension des gaz et des particules chaudes L'avantage de ce type de construction est la simplicité de la structure du réacteur et du séparateur de particules On a accumulé une expé- rience importante sur ses possibilités d'application pratique L'inconvénient de ces constructions tradition- nelles est l'espace important qui est nécessaire puisque la chambre du réacteur et le séparateur de particules, dans ces constructions, ont des dimensions principales à peu près égales et doivent être placés à distance l'un de l'autre, pour des raisons de construction En conséquence, un inconvénient est dû au fait que le circuit de retour des matières solides est de configuration compliquée, car il doit comporter un circuit séparé pour le réglage du débit de gaz qui, en pratique, est obtenu avec un lit fluidisé séparé placé dans le conduit de retour. L'invention a pour objet la réalisation d'un ensemble de combustion qui, dans des applications mettant en oeuvre la technique de circulation, donne une réalisa- tion avantageuse de l'ensemble de combustion à la fois au point de vue de la construction et pour les propriétés de circulation dans les cas o le séparateur de particules doit être placé dans la chambre du réacteur L'invention a donc pour objet un perfectionnement de la technique anté- rieure dans ce domaine. A cet effet, l'ensemble de combustion selon l'inven- tion se caractérise essentiellement en ce que la première enveloppe ou enveloppe externe au moins du séparateur de particules est disposée, de manière connue, afin qu'elle forme de préférence une surface tubulaire de transfert de chaleur, la circulation du fluide de transfert de chaleur étant réalisée à l'intérieur de la structure tubulaire, et l'entrée des gaz brûlés dans la première enveloppe ou enveloppe externe est disposée sur toute la circonfé- rence de l'enveloppe. Une surface de transfert de chaleur qui est formée à partir de la première enveloppe ou enveloppe externe, est déjà connue d'après le brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 4 746 337 qui concerne cependant un séparateur à cyclone qui est indépendant Lorsque la première enveloppe ou enveloppe externe au moins du séparateur de particules est réalisée sous forme d'une surface de transfert de chaleur, la totalité de l'ensemble de combustion forme un ensemble réglable quant à sa construction et en particulier à ses propriétés de dilatation thermique Dans la technique classique, le raccordement d'une chambre de réacteur, qui joue le rôle d'une surface de transfert de chaleur, et d'un séparateur isolé de particules a posé un problème sérieux dû au comportement différent par dilatation thermique Il est évident qu'un séparateur massif de particules contenant des organes céramiques d'environ 300 mm d'épaisseur doit être supporté par un plan inférieur et doit avoir un carter d'acier capable de le supporter La chambre du réacteur ayant des structures formées par des panneaux est de préférence supportée par-dessus si bien que sa dilatation thermique s'effectue essentiellement vers le bas Pendant le fonctionnement, la température de la chambre du réac- teur, dans les réacteurs classiques à circulation, est par exemple d'environ 300 O C, alors que le carter d'acier de support d'un séparateur de particules doit être maintenu au maximum à 80 OC, pour des raisons de sécurité et afin que les pertes de chaleur soient réduites au minimum Il est donc manifeste que les réacteurs classiques à circulation présentent des déplacements importants dûs aux variations de température lors de la mise en route et de l'arrêt. L'invention résout les problèmes précités puisque l'en- semble de combustion se comporte comme un tout sous l'ac- tion des variations de température, lors de la mise en fonctionnement et de l'arrêt. Une solution avantageuse par sa construction est obtenue dans son ensemble lorsque l'entrée des gaz brûlés est placée dans la première enveloppe ou enveloppe externe, afin qu'elle soit disposée sur toute la circonférence de l'enveloppe Le séparateur de particules et les tuyauteries d'entrée associées habituellement nécessitent un espace important En conséquence, un séparateur classique à cyclone ne peut pas être placé dans la chambre du réacteur sans des constructions coûteuses, malcommodes et inutili- sables en pratique Le problème est alors, compte tenu de sa construction et de ses propriétés de circulation, de réaliser de telles tuyauteries d'entrée des gaz brûlés assurant une action suffisante de guidage des gaz brûlés, et occupant un espace qui est seulement une fraction de l'espace nécessaire au conduit d'entrée des séparateurs classiques à cyclone Le problème précité peut être résolu parfaitement d'une manière telle que l'entrée des gaz brûlés est disposée dans la première enveloppe ou enveloppe externe, sur toute la circonférence de l'enveloppe Ceci présente un avantage particulier car, lorsqu'une surface tubulaire de transfert de chaleur est utilisée dans la première enveloppe ou enveloppe externe, les tubes eux- mêmes peuvent former la structure de support de l'entrée de gaz brûlés, ou dans certain cas, grâce à la courbure des tubes, peuvent former cette structure, si bien que des ailettes déflectrices formées d'un matériau céramique peuvent être formées sur cette structure de support afin qu'elles permettent la circulation des gaz brûlés. Dans un mode de réalisation particulièrement avanta- geux, la section de la chambre du réacteur par un plan horizontal, au moins à l'endroit o le séparateur de particules est disposé, est circulaire, et l'axe central de la section coïncide avec l'axe central courbe des enve- loppes du séparateur Cette solution permet la constitution d'une structure idéale qui est symétrique axialement, au moins à l'endroit o se trouve le séparateur de particules. Plusieurs avantages sont obtenus sur le plan de la combus- tion, de la circulation et des propriétés de construction, par rapport aux réacteurs classiques à circulation de section rectangulaire Pour des raisons de construction, il faut des structures massives de support pour le renfor- cement des parois dans les parties des réacteurs rectangu- laires classiques et notamment dans les grands ensembles de combustion La prise en considération de la dilatation thermique augmente encore la complexité de ces structures de support Dans les applications sous pression, cet inconvénient est encore accentué car une partie externe séparée sous pression doit être utilisée pour la disposi- tion de la chambre du réacteur La plupart des inconvénients précités peuvent être supprimés par utilisa- tion de la structure axialement symétrique décrite précé- demment. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe verticale d'un ensemble de combustion selon l'invention, le long de l'axe central; les figures 2 et 3 représentent des coupes par- tielles de l'ensemble de la figure 1, suivant la ligne A-A, à l'endroit o l'entrée des gaz brûlés est disposée, dans deux modes de réalisation différents; et la figure 4 est une coupe suivant la ligne B-B de la figure 1. Les parties principales de l'ensemble apparaissent notamment sur la figure 1 Une chambre cylindrique 1 de réacteur de section circulaire est placée en position verticale La structure de la paroi constituant l'enveloppe de la chambre du réacteur est essentiellement réalisée sous forme d'une surface de transfert de chaleur comprenant plusieurs tubes et disposée au moins le long de la partie verticale de la structure de paroi Le fluide de transfert de chaleur s'écoule dans la structure tubulaire A la partie inférieure de la chambre 1 du réacteur, une struc- ture 2 à grille a une alimentation en air de combustion mettant en oeuvre par exemple un ensemble classique à tuyères (non représenté) A cet effet, un "coffret à air' 3 est disposé afin que l'air de combustion soit conduit vers l'ensemble des tuyères En outre, un dispositif 4 d'alimen- tation en combustible et une sortie 5 de matières gros- sières sont associés à la grille. Le lit fluidisé est formé à la partie supérieure de la structure à grille 2 et les gaz brûlés qui se forment à cet emplacement remontent en entraînant des matières solides. Un séparateur 6 de particules est placé dans la partie supérieure de la chambre 1 du réacteur et comporte la première enveloppe 7 ou enveloppe externe, et la seconde enveloppe 8 ou enveloppe interne, qui ont toutes deux une section circulaire par un plan horizontal et dont les axes centraux sont disposés afin qu'ils coïncident pratiquement l'un et l'autre et qu'il coïncident de préférence avec l'axe central de la chambre 1 du réacteur La première enveloppe 7 ou enveloppe externe, a une entrée de gaz brûlés La partie inférieure de la première enveloppe 7 ou enveloppe externe, a une partie tronconique 7 a qui est symétrique par rapport à l'axe central, et le conduit vertical 10 de retour, qui a de préférence une section circulaire et dont l'axe central coïncide avec celui de la chambre 1 du réacteur, est raccordé à la partie inférieure de la première enveloppe ou enveloppe externe Le conduit de retour est disposé en direction verticale depuis la partie inférieure de la première enveloppe ou enveloppe externe, vers la partie inférieure de la chambre 1 du réacteur et vers la zone du lit fluidisé. La seconde enveloppe 8 ou enveloppe interne, du séparateur de particules est nettement plus courte, en direction verticale, que la première enveloppe 7 ou enve- loppe externe, et elle a essentiellement une forme tubu- laire et sa partie supérieure est raccordée à l'étage de traitement qui suit l'ensemble de combustion afin qu'elle transfère les gaz brûlés débarrassés des matières solides circulant dans la seconde enveloppe ou enveloppe interne 8, vers l'étage suivant. La première enveloppe ou enveloppe externe 7 au moins est destinée à former une surface tubulaire de transfert de chaleur dans laquelle peut circuler le fluide de transfert de chaleur Il est évident que la seconde enveloppe ou enveloppe interne 8 peut aussi être réalisée afin qu'elle forme une surface de transfert de chaleur et qu'elle constitue une surface de transfert de chaleur composée de tubes parallèles. Comme représenté sur la figure 1, la structure tubulaire formant la paroi de la chambre 1 du réacteur, contenant le fluide de transfert de chaleur, est destinée à former la structure la du toit de l'ensemble de combustion et certains des tubes au moins quittant la tuyauterie annulaire 11 de distribution et débouchant dans la partie inférieure de la chambre du réacteur se terminent dans un tuyau annulaire collecteur 12 qui entoure la seconde enveloppe ou enveloppe interne 8 du séparateur de parti- cules, l'enveloppe étant fixée au tube collecteur annulaire 12 Une partie des tubes quittant le tube annulaire distri- buteur 11 peut être raccordée à la partie supérieure de la chambre du réacteur comme indiqué sur la figure 1, et à un second tube collecteur annulaire 13 placé à la partie supérieure de la chambre du réacteur Comme l'indique la figure 1, le tube distributeur annulaire 11 transmet de l'eau, qui constitue le fluide de transfert de chaleur, par exemple dans la structure tubulaire 2 à grille vers le tube distributeur annulaire 14 qui est placé au-dessous du conduit de retour 10, et les tubes verticaux 15 assurent la connexion du tube distributeur 14 au second tube distribu- teur annulaire 16 qui est placé à la partie inférieure du conduit 10 de retour, et le conduit de retour dans son ensemble est destiné à former une surface de transfert de chaleur qui comporte des tubes verticaux La circulation du fluide de transfert de chaleur s'effectue dans le conduit de retour vers la partie inférieure de la première enveloppe ou enveloppe externe puis dans la structure tubulaire de l'enveloppe 7, dans les chambres collectrices intermédiaires 18 a, 18 b vers le tube collecteur annulaire 17 Il est évident depuis le début que la circulation du fluide de transfert de chaleur peut être simplement réa- lisée afin que l'ensemble de construction dans sa totalité constitue une surface de transfert de chaleur. Une autre structure de la première enveloppe ou enveloppe externe 7 est représentée en particulier sur la figure 1 sur laquelle une autre chambre collectrice annu- laire intermédiaire 18 b est placée à proximité de la partie inférieure de l'entrée 9 de gaz brûlés, et la structure tubulaire est ensuite dirigée vers le haut, vers le tube collecteur 17 De cette manière, la construction représen- tée notamment sur la figure 2 est obtenue, l'entrée 9 de gaz brûlés étant composée de plusieurs ouvertures disposées à intervalles réguliers à la circonférence de la première enveloppe ou enveloppe externe 7, les ouvertures ayant des dimensions égales et étant de préférence rectangulaires et placées à la même hauteur L'entrée 9 de gaz brûlés est placée dans la partie supérieure de la chambre du réacteur juste audessous de la structure la du toit de la chambre du réacteur, cette structure la constituant une surface d'arrêt du courant vertical de gaz brûlés Suivant la dimension de l'ensemble de combustion, le nombre d'ouver- tures placées à l'entrée 9 des gaz brûlés peut varier entre et 30 Chaque élément 19, qui est composé d'un ou plu- sieurs tubes et qui quitte la chambre collectrice intermé- diaire 18 b, les éléments étant espacés par rapport à la disposition de la partie correspondante de la première enveloppe ou enveloppe externe audessous de la chambre collectrice intermédiaire 18 b, est placé dans une ailette , de préférence formée d'un matériau céramique Les éléments 19 ont des éléments convenables de serrage, par exemple des barres de serrage assurant le serrage entre la matière céramique et les éléments 19 L'ensemble des ailettes 20 est placé obliquement par rapport à la circon- férence de la première enveloppe ou enveloppe externe 7 afin que les gaz brûlés circulent essentiellement tangen- tiellement vers l'intérieur de la première enveloppe ou enveloppe externe 7, par les ouvertures 21 d'entrée des gaz brûlés Comme l'indique en particulier la figure 2, les ailettes 20 sont placées essentiellement à l'intérieur de la surface externe de la première enveloppe ou enveloppe externe 7. La figure 3 représente une autre variante de struc- ture selon l'invention destinée à l'entrée des gaz brûlés, ne comportant aucune chambre collectrice intermédiaire 18 b telle que représentée sur les figures 1 et 2, mais les tubes de la première enveloppe ou enveloppe externe 7 se prolongent uniformément depuis la première chambre collec- trice 18 a vers le tube collecteur 17 au-dessus de la structure la du toit Dans ce cas, les ailettes céramiques logent les parties de la surface tubulaire de transfert de chaleur de la première enveloppe ou enveloppe externe 7 qui sont placées au niveau de l'entrée 9 de gaz brûlés Ces parties sont recourbées chacune à partir du plan de la surface de l'enveloppe si bien qu'elles se trouvent dans la zone de la coupe horizontale de l'ailette considérée et ces parties ont des éléments de serrage qui assurent le serrage entre ces parties et le matériau céramique Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, la section de chaque ailette 20 contient trois tubes, le tube du milieu 19 a se trouve dans le plan de la première enveloppe ou enveloppe externe 7, et le premier des tubes 19 b placé d'un côté est recourbé vers l'intérieur par rapport à l'enve- loppe 7 et le second des tubes 19 c est recourbé vers l'extérieur par rapport à l'enveloppe 7 Ainsi, plusieurs ailettes sont formées et sont placées en partie à l'exté- rieur de l'enveloppe 7, c'est-à-dire dans la partie qui se trouve dans la région marginale de l'entrée des gaz brûlés des ailettes Il est évident que la courbure des tubes peut être réalisée de manière qu'une structure telle que repré- sentée sur la figure 2 soit obtenue, les ailettes étant placées totalement à l'intérieur de la surface de l'enve- loppe 7 Dans ce cas, tous les tubes qui doivent être courbés sont recourbés vers l'intérieur de l'enveloppe 7. La figure 4 représente une coupe suivant la ligne B- B de la figure 1 et représente la structure notamment dans le mode de réalisation de la figure 2. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux ensembles de combustion qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1 Ensemble de combustion destiné à mettre en oeuvre un procédé avec circulation, du type qui comprend: une chambre de réacteur ( 1) placée pratiquement en position verticale, la structure de sa paroi verticale au moins étant disposée pratiquement afin qu'elle forme une surface tubulaire de transfert de chaleur, un fluide de transfert de chaleur pouvant s'écouler à l'intérieur de la structure tubulaire, une réaction exothermique-de combus- tion en lit fluidisé étant réalisée grâce à un combustible de l'air introduit à la partie inférieure de la chambre du réacteur, les gaz brûlés créés par la réaction et contenant des matières solides remontant dans la chambre du réacteur, et au moins un séparateur ( 6) de particules, notam- ment à cyclone, placé à l'intérieur de la chambre du réacteur, à sa partie supérieure, le séparateur ayant deux enveloppes ( 7, 8) placées pratiquement l'une dans l'autre, les axes centraux des enveloppes coïncidant pratiquement et étant verticaux, la première enveloppe ou enveloppe externe ( 7) comportant une entrée ( 9) de gaz brûlés et la partie inférieure de la première enveloppe ou enveloppe externe ayant un conduit ( 10) de retour des matières solides afin que les matières solides séparées des gaz brûlés soient renvoyées vers la partie inférieure de la chambre du réacteur ( 1), la partie supérieure de la seconde enveloppe tubulaire interne ( 8) qui a des extrémités ouvertes étant raccordée à son extrémité supérieure à l'étage suivant de traitement afin que des gaz brûlés pratiquement dépourvus de matières solides et circulant dans la seconde enveloppe ou enveloppe interne soient transmis par l'étage de traite- ment qui suit l'ensemble de combustion, caractérisé en ce que la première enveloppe ou enveloppe externe ( 7) au moins du séparateur de particules ( 6) est réalisée de manière connue afin qu'elle forme une surface tubulaire de transfert de chaleur, le fluide de transfert de chaleur s'écoulant à l'intérieur de la structure tubulaire, et l'entrée ( 9) de gaz brûlés dans la première enveloppe ou enveloppe externe ( 7) est disposée sur toute la circonférence de l'enveloppe. 2 Ensemble de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que la configuration en coupe de la chambre du réacteur ( 1), au moins à l'endroit o se trouve le séparateur de particules ( 6), est circulaire, et son axe central coïncide avec l'axe central commun des enveloppes ( 7, 8) du séparateur de particules ( 6). 3 Ensemble de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée ( 9) de gaz brûlés est formée de plusieurs ouvertures ( 21) placées à intervalles régu- liers à la circonférence de l'enveloppe ( 7). 4 Ensemble de combustion selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que les ouvertures ( 21) de l'entrée ( 9) de gaz brûlés ont pratiquement la même dimension et sont placés à la même hauteur. 5 Ensemble de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que cinq à trente ouvertures ( 21) sont disposées à la circonférence de la première enveloppe ou enveloppe externe ( 7). 6 Ensemble de combustion selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce qu'une ailette ( 20) est placée au bord vertical des ouvertures ( 21), chaque ailette étant disposée entre deux ouvertures adjacentes ( 21) et étant destinée à diriger le courant de gaz brûlés en direction pratiquement tangentielle dans -la première enveloppe ou enveloppe externe ( 7). 7 Ensemble de combustion selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ailettes ( 20) sont placées à l'intérieur de la première enveloppe ou enveloppe externe ( 7). 8 Ensemble de combustion selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque ailette ( 20) est essentielle- ment formée d'éléments constitués d'un matériau céramique, et un tube au moins, appartenant à la surface de transfert de chaleur de la première enveloppe ou enveloppe externe ( 7), est placé à l'intérieur de chaque ailette ( 20). 9 Ensemble de combustion selon la revendication 8, caractérisé en ce que la structure tubulaire de la première enveloppe ou enveloppe externe ( 7) est espacée à l'emplace- ment auquel se trouve l'entrée des gaz brûlés ( 9). Ensemble de combustion selon la revendication 8, caractérisé en ce que la partie des tubes de la structure tubulaire de la première enveloppe ou enveloppe externe ( 7) est recourbée à l'entrée des gaz brûlés ( 9) afin que les différentes parties soient placées à l'intérieur de la section de l'élément formant l'ailette ( 20). 11 Ensemble de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée ( 9) de gaz brûlés est disposée à la partie supérieure de la chambre du réacteur ( 1) afin qu'elle soit tournée vers le bas pratiquement depuis la surface (la) de la chambre du réacteur ( 1) qui arrête le courant vertical de gaz brûlés. 12 Ensemble de combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transmission du fluide de trans- fert de chaleur à la première enveloppe ou enveloppe externe ( 7) est réalisée par le conduit ( 10) de retour, et ce conduit ( 10) de retour est aussi disposé pratiquement afin qu'il joue le rôle d'une surface de transfert de chaleur, le fluide de transfert de chaleur étant transmis par l'intermédiaire de la structure ( 2) en forme de grille.