Brevet FR2712378A1 — publié le 19950519

REACTEUR A LIT FLUIDISE CIRCULANT A EXTENSIONS DE SURFACE D'ECHANGE THERMIQUE. La présente invention se rapporte à un réacteur à lit fluidisé circulant à extensions de surface d'échange thermique. Le réacteur à lit fluidisé circulant est utilisé de façon courante dans les centrales thermiques et pour des puissances de plus en plus élevées. Plus précisément l'invention concerne un réacteur à lit fluidisé circulant comportant une zone inférieure pourvue d'une grille de fluidisation, de moyens d'injection d'air primaire en-dessous de la grille, de moyens d'injection d'air secondaire au-dessus de la grille et de moyens d'introduction de combustible, les parois entourant15 cette zone inférieure étant pourvues de tubes d'échange thermique, et une zone supérieure entourée par des parois munies de tubes d'échange thermique, les tubes d'échange thermique étant reliés par des ailettes. Il est connu que pour obtenir une bonne efficacité de désulfuration des fumées, la température du réacteur doit être maintenue constante à une valeur proche de 850'C. Un moyen efficace est d'installer des panneaux d'échange thermique dans le réacteur et d'utiliser, pour maintenir cette température, soit l'ajustement de la concentration en25 matières solides par réglage des débits d'air primaire et secondaire soit un débit variable de recyclage de gaz de combustion soit le refroidissement des solides recyclés dans des lits fluidisés denses extérieurs au réacteur. Plusieurs agencements de tels panneaux sont connus: - des panneaux verticaux en forme de L suspendus en partie haute du réacteur à fonction de surchauffeur, - des panneaux horizontaux en partie supérieure et traversant le réacteur de part en part à fonction de surchauffeur,35 - des panneaux en forme de U suspendus au plafond du réacteur à fonction de surchauffeur, - des panneaux très larges fixés perpendiculairement à la paroi du réacteur et parcourus par une émulsion, - des panneaux de séparation du réacteur disposés sur une hauteur partielle et présentant des ouvertures de communication. Lorsque la puissance de l'installation augmente, il est donc estimé qu'il est nécessaire d'étendre l'implantation de ces panneaux d'échangeurs d'une part en surface et d'autre part vers des niveaux de plus en plus bas10 dans le réacteur avec corrélativement des risques d'érosion augmentés en partie basse de ces panneaux soumis au flux de particules solides, des risques de distorsion des panneaux et des parois du fait des dilatations différentielles augmentées par les hauteurs de panneaux qui augmentent et15 des risques de vibration. La présente invention résout ces problèmes d'érosion et de distorsion tout en allant & l'encontre du préjugé technique consistant à chercher à augmenter la surface des panneaux d'échange thermique du réacteur.20 Pour ce faire, conformément à l'invention, les parois des dites zones sont pourvues de panneaux d'échange thermique verticaux dits extensions fixés perpendiculairement aux parois des zones, formés de tubes, internes au réacteur, de largeur horizontale comprise entre25 150 et 500 mm et espacés les uns des autres d'une distance comprise entre 1,5 et 4 fois leur largeur, cette largeur étant définie comme la distance entre la face interne des ailettes des parois et la génératrice la plus éloignée du tube des extensions le plus éloigné.30 Les extensions sont très courtes et ainsi l'on évite les voilements des parois du réacteur dûs aux efforts mécaniques des dilatations différentielles empêchées et l'on maintient ces extensions dans la couche descendante des solides. Selon une première variante de fixation, les extensions sont soudées de façon continue aux parois des zones. Selon une seconde variante de fixation, les extensions sont distantes des parois d'une distance inférieure à 60 mm, cette distance étant la distance entre la face interne des ailettes des parois et la génératrice du tube des extensions le plus proche. Avantageusement, les extensions sont réparties sur la périmètre interne du réacteur. De préférence, les extensions sont situées sur toute la hauteur du réacteur. Selon un mode de réalisation préféré, les extensions formées de tubes sont disposées sur toute la hauteur de la paroi de la zone supérieure. Dans ce cas, les extensions partent du plafond du réacteur et traversent en partie basse les parois inclinées de la zone inférieure. Tout problème d'érosion est alors supprimé à l'encontre de l'art antérieur o des parties20 horizontales dégagées sont soumises aux flux de particules et sont donc érodées. Selon une variante de réalisation particulière, comportant des lits fluidisés denses internes en communication avec l'intérieur du réacteur par leur partie25 supérieure qui reçoit les matières solides tombant le long des parois de la zone supérieure et les renvoie en partie par débordement vers la zone inférieure tout le long et au- dessus des parois de déversement, ces lits internes ayant leur paroi équipée de tubes d'échange reliés à leur partie30 basse à une arrivée d'alimentation et à leur partie haute à une sortie de dégagement, les tubes des extensions sont utilisés comme tubes de dégagement de ceux constituant ces lits. Avantageusement, les extensions de tubes comportent des tubes auxiliaires à l'extrémité libre des extensions, fixés en dehors du plan de symétrie des extensions. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant qu'un mode de réalisation préférée. La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un réacteur à lit fluidisé circulant. La figure 2 est une vue partielle en coupe verticale d'une paroi de réacteur conforme à l'invention. La figure 3 est une vue en coupe selon III-III de la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe verticale d'un réacteur conforme à l'invention selon une variante de réalisation. Les figures 5, 6 et 7 représentent en coupes partielles divers agencements de réacteurs conformes à l'invention. Sur la figure 1 qui correspond à un fonctionnement classique de réacteur à lit circulant, ce dernier comporte une zone inférieure 3 de section croissante vers le haut et une zone supérieure parallélèpipèdique 2. La zone inférieure20 3 est pourvue d'une grille de fluidisation 11, de moyens d'injection d'air primaire 12 en-dessous de la grille 11, de moyens d'injection d'air secondaire 13 au-dessus de la grille 11 et de moyens d'introduction de combustible 10. Les parois 5 entourant cette zone inférieure 3 sont pourvues de25 tubes d'échange thermique. La zone supérieure 2 est entourée par des parois 4 munies de tubes d'échange thermique. Les particules solides s'élèvent au-dessus de la grille 11 vers le haut du réacteur selon les flèches 6. Ces particules tendent à s'écarter vers les parois 4, 5 et à30 retomber vers le bas. Toutefois, une partie des particules les plus fines est réentrainée vers le haut, suivant des mouvements tourbillonnaires tels que 7. Les autres particules se rapprochent des parois 4, 5 et s'écoulent le long de celles-ci vers le bas selon les flèches 8.35 Des mesures de cette couche dense de solides le long des parois indiquent qu'elle est d'épaisseur variable sur la hauteur du réacteur et selon la charge du réacteur, cette épaisseur étant sensiblement comprise entre 50 et 500 mm. L'invention consiste à réaliser des extensions de surfaces d'échange thermique de faible largeur noyées dans cette couche de solides descendants et ainsi améliorer les coefficients d'échange thermique des parois du réacteur. Dans un réacteur classique sans extensions conformes à l'invention, pour un coefficient global de 180 W/m2.'K, approximativement une part de 100 W/m2.'K est obtenue par10 rayonnement et une part de 80 W/m2.'K par convection relative aux particules solides. Grâce à l'invention, la part relative à la convection est fortement augmentée et le coefficient global en conséquence. En effet, les extensions conformes à l'invention entraînent une augmentation de l'épaisseur de la couche de solides le long des parois par ce que l'on peut appeler l'effet de coin. Il se crée en effet à la présence d'un coin une surépaisseur de couche dẻ à la forme arrondie que prend naturellement la couche de solides à cet endroit. Grâce aux20 extensions conformes à l'invention, un nombre important de coins est créé et l'épaisseur de solides est d'autant augmentée. La concentration moyenne en solides est donc artificiellement augmentée dans la cavité délimitée entre deux extensions par rapport à une simple paroi plane, ce qui25 améliore le coefficient d'échange. Par ailleurs, les extensions conformes à l'invention présentent deux faces d'échange ce qui augmente la surface d'échange globale du réacteur et donc améliore également le coefficient d'échange.30 Les figures 2 et 3 représentent un exemple de réalisation d'une extension conforme à l'invention. Ces extensions sont de préférence réalisées de façon classique. A la paroi 4 pourvue de tubes d'échange longitudinaux 9 sont adjointes réparties sur la périphérie35 du réacteur des extensions 14 perpendiculaires à la paroi 4 et internes au réacteur. L'extension 14 représentée comporte trois tubes d'échange verticaux 15 noyés et protégés en partie haute et basse par des couches de béton 16. Les tubes 15 comme d'ailleurs les tubes 9 sont reliés les uns aux autres par des ailettes soudées. Les tubes 15 sont alimentés en émulsion eau- vapeur par une arrivée d'alimentation et en partie haute, ils sont reliés à une sortie 19. Afin d'éviter les dilatations différentielles, ces tubes 15 sont alimentés par une émulsion. Selon l'invention, les extensions 14 fixées perpendiculairement aux parois 4, 5 des zones 2, 3, formées de tubes 15, internes au réacteur, sont de largeur 1 horizontale comprise entre 150 et 500 mm et espacées les unes des autres d'une distance comprise entre 1,5 et 4 fois leur largeur, cette largeur étant définie comme la distance15 entre la face interne des ailettes 30 des parois 4, 5 et la génératrice la plus éloignée du tube 15A des extensions le plus éloigné. Les extensions peuvent être soudées de façon continue aux parois 4, 5 des zones 2, 3 ou être distantes des parois 4, 5 d'une distance d inférieure à 60 mm, cette distance étant la distance entre le face interne des ailettes 30 des parois et la génératrice du tube 15B le plus proche. Les extensions 14 de tubes 15 peuvent comporter des tubes auxiliaires à l'extrémité libre 14A des extensions 14, fixés en dehors du plan de symétrie des extensions 14, afin de renforcer la tenue mécanique des extensions 14. La figure 4 représente un agencement des extensions conformes à l'invention particulièrement avantageux. Il est connu, par exemple de la demande de brevet français n*2 690 512 déposée par la Déposante, d'équiper le réacteur de lits fluidisés denses internes 22, 23. Ces lits fluidisés denses 22, 23 sont en communication avec l'intérieur du réacteur par leur partie supérieure qui reçoit les matières solides tombant le long des parois 4 de35 la zone supérieure 2 et les renvoie en partie par débordement vers la zone inférieure 3 tout le long et au- dessus des parois de déversement 28, 29. Ces lits internes 22, 23 ont leur paroi équipée de tubes d'échange reliés à leur partie basse à une arrivée d'alimentation et à leur partie haute à une sortie de dégagement. Avantageusement,5 les tubes des extensions 14 conformes à l'invention peuvent être utilisés comme tubes de dégagement de ceux constituant ces lits 22, 23 et éventuellement de ceux immergés dans ces lits 22, 23, ce qui évite une traversée de la paroi 4 avec les risques d'érosion que cela comporte puisque les tubes de10 dégagement sont verticaux et non plus horizontaux. Selon ce mode de réalisation, chaque lit interne 22, 23 se trouve installé entre au moins deux extensions 14 et il en résulte un autre effet et avantage technique de l'invention. En effet, les espaces entre extensions 1415 forment des canaux ou chemins de chute 21 des solides vers les lits 22, 23 et entraîne une augmentation du débit des solides descendants vers ceux-ci. Les lits internes 22, 23 étant reliés à des échangeurs externes, ceux-ci sont alimentés par un débit supérieur de solides, ce qui améliore l'échange et permet de diminuer sensiblement la taille de ces échangeurs externes. Sur les figures 5 à 7, sont décrits plusieurs agencements possibles des extensions 14. Le réacteur est pourvu de façon classique d'un cyclone 31. Les extensions 1425 équipées de tubes 15 sont disposées sur toute le hauteur de la paroi 4 de la zone supérieure 2 du réacteur, sur un ou plusieurs côtés de cette zone 2. REVENDICATIONS 1) Réacteur à lit fluidisé circulant comportant une zone inférieure (3) pourvue d'une grille de fluidisation (11), de moyens d'injection d'air primaire (12) en-dessous de la grille (11), de moyens d'injection d'air secondaire (13) au-dessus de la grille (11) et de moyens d'introduction de combustible (10), les parois (5) entourant cette zone inférieure étant pourvues de tubes d'échange thermique, et une zone supérieure (2) entourée par des parois (4) munies de tubes d'échange thermique (9), les tubes d'échange thermique (9) étant reliés par des ailettes (30), caractérisé en ce que les parois des dites zones (2, 3) sont15 pourvues de panneaux d'échange thermique verticaux dits extensions (14) fixés perpendiculairement aux parois (4, 5) des zones (2, 3), formés de tubes (15), internes au réacteur, de largeur horizontale (1) comprise entre 150 et 500 mm et espacés les uns des autres d'une distance comprise entre 1,5 et 4 fois leur largeur, cette largeur étant définie comme la distance entre la face interne des ailettes (30) des parois (4, 5) et la génératrice la plus éloignée du tube (15A) des extensions le plus éloigné. 2) Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extensions sont soudées de façon continue aux parois (4, 5) des zones (2, 3). 3) Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extensions (14) sont distantes des parois (4, 5) d'une distance (d) inférieure à 60 mm, cette distance étant30 la distance entre le face interne des ailettes (30) des parois et la génératrice du tube (15B) des extensions le plus proche. 4) Réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extensions (14) sont réparties sur le périmètre interne du réacteur. ) Réacteur selon l'une des revendications pércédentes, caractérisé en ce que les extensions (14) sont situées sur toute la hauteur du réacteur. 6) Réacteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les extensions (14) équipées de tubes (15) sont disposées sur toute la hauteur de la paroi (4) de la zone supérieure (2). 7) Réacteur selon la revendication 6, et comportant des lits fluidisés denses internes (22, 23) en communication avec l'intérieur du réacteur par leur partie supérieure qui reçoit les matières solides tombant le long des parois (4) de la zone supérieure (2) et les renvoie en partie par débordement vers la zone inférieure (3) tout le long et au- dessus des parois de déversement (28, 29), ces lits internes15 (22, 23) ayant leur paroi équipée de tubes d'échange reliés à leur partie basse à une arrivée d'alimentation et à leur partie haute à une sortie de dégagement, réacteur caractérisé en ce que les tubes (15) des extensions (14) sont utilisés comme tubes de dégagement de ceux constituant20 ces lits (22, 23). 8) Réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extensions (14) de tubes (15) comportent des tubes auxiliaires à l'extrémité libre (14A) des extensions (14), fixés en dehors du plan de25 symétrie des extensions (14).