Brevet FR2723003A1 — publié le 19960202

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA CIRCULATION INTERNE DANS UN REACTEUR A LIT FLUIDISE ET REACTEUR EQUIPE D'UN TEL DISPOSITIF. La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de contrôle de la circulation interne dans un réacteur à lit fluidisé et à un réacteur équipé d'un tel dispositif. Plus précisément, elle concerne un procédé et un dispositif de contrôle du débit de circulation interne des particules solides dans un lit fluidisé circulant comportant une zone inférieure o est injecté le gaz de fluidisation et une zone supérieure entourée par des parois. Dans un réacteur de lit fluidisé circulant, une partie des solides sort du réacteur et assure la circulation externe tandis qu'une partie des solides descend le long des parois internes, cette circulation étant dite interne. L'importance du débit de cette circulation interne dépend principalement de la charge en solides dans le réacteur et des conditions de fluidisation.20 Il n'existe aucun dispositif de contrôle du débit de cette circulation interne, par mesure en continu de ce débit. La présente invention propose un tel dispositif. Selon l'invention, le procédé consiste à mesurer en continu et localement le débit de solides s'écoulant vers le bas le long desdites parois. Selon l'invention, le dispositif de contrôle en continu du débit de circulation interne des particules solides dans un lit fluidisé circulant, pour la mise en oeuvre de ce procédé, comporte30 - un bac de prélèvement de solides de circulation interne accolé à une desdites parois du réacteur et pourvu de moyens de fluidisation, - une conduite d'évacuation desdits solides dudit bac vers un dispositif de mesure du débit desdits solides, - une conduite de reversement desdits solides du dispositif de mesure vers l'intérieur du réacteur. Un tel dispositif de contrôle permet de déceler les différences de débit de circulation interne des particules solides à divers endroits d'un réacteur à lit fluidisé circulant. Ainsi peuvent être décelés des phénomènes de 5 concentration anormaux, par exemple des effets dits de cheminée ou des concentration hétérogènes dans les différents compartiments du réacteur. Ainsi les mesures utiles peuvent être prises, par exemple le réglage de l'alimentation en gaz de fluidisation dans le ou les10 compartiments concernés. De préférence, le dispositif de mesure du débit est disposé à l'extérieur du réacteur. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif de mesure du débit comporte - un premier dispositif de mesure de la température des solides en sortie du bac, - un dispositif de refroidissement des solides, - un second dispositif de mesure de la température des solides en sortie du dispositif de refroidissement. L'invention concerne également un dispositif de refroidissement destiné à constituer le dispositif de contrôle, comportant une conduite d'évacuation inclinée vers le bas, d'axe longitudinal x-x, pourvue d'un matériau réfractaire, recevant en partie haute les particules solides25 et associée à un agencement de refroidissement comprenant dans un bac de réception un ensemble de tubes d'échange de chaleur o circule un fluide caloporteur et un ensemble d'aération permettant l'écoulement des particules solides; selon l'invention, le bac de réception est constitué par30 ladite conduite inclinée d'au moins 5 degrés par rapport à un plan horizontal. De préférence, ladite conduite est inclinée de 5 à 20 degrés. Avantageusement, l'ensemble de tubes d'échange est constitué de tubes parallèles à l'axe x-x disposé dans la conduite. Ladite conduite peut être équipée d'une paroi de retenue des particules solides située en aval de l'ensemble de tubes d'échange, avantageusement, transversale et extractible. 5 Pour ce faire, ladite paroi de retenue est constituée d'éléments allongés superposés et amovibles. Les tubes d'échange sont de préférence des tubes doubles concentriques, l'entrée et la sortie du fluide caloporteur étant situées d'un même côté de la conduite.10 L'ensemble d'aération comprend des buses traversant la conduite dans sa partie inférieure et alimentées par un collecteur compartimenté situé sous la conduite. L'invention concerne également un dispositif de mesure de température d'un flux de solides destiné & former le second dispositif de mesure constituant le dispositif de contrôle. Il comprend - des sondes de détermination de la température à plusieurs niveaux de hauteur de la paroi de retenue, - une sonde de détermination de la température disposé en aval de ladite paroi de retenue dans un prolongement de la conduite pourvu de buses de fluidisation. L'invention se rapporte enfin à un réacteur équipé d'au moins un dispositif de contrôle; il comporte plusieurs dispositifs de contrôle répartis sur sa périphérie25 intérieure, ces dispositifs étant disposés à une même hauteur. Selon un mode de réalisation préféré, le réacteur comportant des lits fluidisés denses internes en communication avec l'intérieur du réacteur par leur partie30 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, au moins certains dispositifs de contrôle ont leur bac de prélèvement formé35 par un compartiment du ou des lits internes. L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant qu'un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un réacteur à lit fluidisé circulant. La figure 2 est une vue en coupe verticale d'un dispositif de contrôle conforme à l'invention. La figure 3 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de refroidissement conforme à l'invention. La figure 5 est une vue en coupe selon VI-VI de la figure 4. La figure 6 est une vue en coupe selon VII-VII de la figure 4. La figure 7 est une vue en coupe verticale d'un réacteur à lit fluidisé circulant équipé de lits internes et de dispositifs conformes à l'invention. La figure 8 est une vue en coupe selon VIII-VIII de la figure 7. Sur la figure i 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 parallépipèdique 2. La zone inférieure 325 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 de30 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 à35 retomber vers le bas. Toutefois, une partie des particules les plus fines est réentraînée 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. Un mode de réalisation préféré du dispositif de contrôle en continu du débit de circulation interne des particules solides conforme à l'invention est représenté sur les figures 2 et 3. Il comporte - un bac de prélèvement 100 de solides de circulation interne accolé à une desdites parois 4 du réacteur et pourvu de moyens de fluidisation constitués de façon connue en soi d'une conduite d'alimentation en gaz de fluidisation 101 reliée à une chambre appelée boite à vent 102 alimentant des buses 103 réparties sur le fond ou sole du bac 100; la15 fluidisation est réglée en fonction de l'écart de pression dans le bac 100 afin d'empêcher tout débordement de celui- ci; ce bac 100 est de préférence en acier réfractaire; - une conduite d'évacuation 110 desdits solides dudit bac 100 vers un dispositif de mesure 130 du débit desdits solides disposé à l'extérieur du réacteur, - une conduite de reversement 120 desdits solides du dispositif de mesure 130 vers l'intérieur du réacteur. Un mode de réalisation préféré du dispositif de mesure du débit 130 est représenté sur la figure 4. Il comporte - un premier dispositif de mesure de la température 300 des solides en sortie du bac 100, - un dispositif de refroidissement des solides 200, - un second dispositif de mesure de la température des solides 400 en sortie du dispositif de refroidissement 200. Comme représenté sur la figure 4, le dispositif de refroidissement conforme à l'invention comporte une conduite d'évacuation 201 inclinée vers le bas d'un angle de 5 à 20 degrés par rapport à un plan horizontal, d'axe longitudinal x-x, pourvue d'un revêtement réfractaire 202 assurant35 l'isolation thermique et la protection mécanique, recevant en partie haute par une gaine d'arrivée 203 des particules solides chaudes. La conduite inclinée 201 est équipée d'un ensemble de fluidisation des particules solides 207 et d'une paroi transversale 204 de retenue des particules solides. Ainsi est formé à l'intérieur de la conduite 201 un bac fluidisé de réception des particules solides entre la gaine d'entrée 203 et la paroi 204. Cette paroi 204 ne s'étend que sur une partie de la section interne de la conduite 201 et délimite en partie haute un passage 205 d'évacuation des particules. Cette paroi de retenue 204 est extractible et constituée d'éléments allongés superposés et amovibles comme il sera précisé plus loin à l'aide de la figure 6. Dans ce bac de réception est disposé un agencement de refroidissement comprenant un ensemble de tubes d'échange de chaleur 206 o circule un fluide caloporteur. L'ensemble de tubes d'échange 206 est constitué de tubes 261 parallèles à l'axe x-x disposés en amont de la paroi transversale. Les tubes d'échange 261 sont des tubes20 doubles concentriques, l'entrée 262 et la sortie 263 du fluide étant situés d'un même côté de la conduite 201, à savoir sur le côté externe de la paroi frontale la plus haute 211 de la conduite 201. Avantageusement, cet ensemble de tubes 206 est solidaire de la paroi frontale 211 la plus25 haute de la conduite 201. Ainsi, par démontage de cette paroi 211, en arrêt du réacteur, l'ensemble de tubes d'échange 206 peut être démonté et être, si besoin est, entretenu ou réparé. Afin de maintenir en place cet ensemble de tubes ainsi disposé en porte-à-faux, un dispositif de30 maintien 264 est prévu à proximité de l'extrémité des tubes 261 proche de la paroi de retenue 204. Les tubes d'échange thermique 261 supérieurs sont protégés par des boucliers métalliques 212 en face de la gaine d'entrée 203.35 Cet ensemble de tubes d'échange 206 sera décrit ciaprès plus en détail à l'aide de la figure 5. L'ensemble de fluidisation 207 comprend des buses 271 traversant la conduite 201 dans la partie inférieure du bac de réception ainsi formé et alimentées par un collecteur 272 située sous la conduite 201. Selon la longueur du bac de 5 réception plusieurs collecteurs 272 peuvent être prévus. Dans ces collecteurs 272 est injecté le gaz de fluidisation par les entrées 273. Comme visible sur la figure 5, l'ensemble de tubes d'échange 206 comporte un certain nombre de tubes 261 disposés parallèlement les uns aux autres et maintenus par des ailettes soudées 265 réparties transversalement et longitudinalement pour former un ensemble de tubes rigide. A proximité de l'extrémité en porte-à-faux est prévu un dispositif de maintien 264 constitué d'une traverse 64115 fixée sur deux consoles 642 soudées à l'enveloppe métallique externe de la conduite 201 et supportant des berceaux 643 dans lesquels sont posés les tubes inférieurs de l'ensemble de tubes 206. Chaque tube d'échange 261 est constitué de deux tubes concentriques, dont l'interne est relié à20 l'entrée de fluide caloporteur 262 et l'externe à la sortie de fluide caloporteur 263, ces deux tubes étant en communication à leur extrémité proche de la paroi transversale 204. Les températures d'entrée tee et de sortie tse du fluide caloporteur (en général de l'eau) sont mesurées à l'entrée 262 et à la sortie 263, le débit de fluide de étant connu. Transversalement, plusieurs buses de fluidisation 271 peuvent être disposées en alignement, ces buses étant reliées au collecteur 272 par les conduites 274 d'alimentation en gaz. A l'intérieur de la conduite 201, ces conduites d'alimentation en gaz de fluidisation 274 sont noyées dans une surépaisseur 221 de matériau réfractaire. La paroi de retenue 204 est particulièrement visible sur la figure 6. A l'emplacement d'insertion de cette paroi 204, la conduite 201 présente une ouverture latérale délimitée par une partie de prolongement 213 afin que cette ouverture soit plane et rectangulaire. Dans cette ouverture, est introduite 5 la paroi 204 qui est de type tiroir extractible. Elle comprend une partie externe 241 en forme de couvercle qui vient s'appliquer et se fixer sur la partie de prolongement 213 de la conduite 201 par exemple par des vis 242. Cette partie externe 241 supporte la partie interne qui constitue la paroi de retenue en soi. Pour ce faire, sur la partie externe 241 sont fixés des premiers embouts tubulaires 243 alignés sur toute la hauteur du volume intérieur de la conduite 201. Sur ces premiers embouts 243 sont emboîtés des tubes 244 constituant des éléments15 allongés superposés et amovibles. Ces tubes 244 sont de longueur telle qu'ils puissent être à leur autre extrémité emboités dans une pièce arrondie 245 supportant en correspondance des seconds embouts tubulaires 246 alignés sur toute la hauteur du volume intérieure de la conduite20 201. Une fois une certain nombre de tubes 244 emboîtés sur la partie externe 241 et sur la pièce arrondie 245 et la paroi 204 insérée dans la conduite 201, la pièce arrondie 245 vient s'appliquer contre la paroi interne de la conduite 201. Une fois la hauteur nécessaire de la paroi de retenue 204 déterminée, afin d'obliger le flux de particules à noyer l'ensemble de tubes d'échange, le nombre de tubes 244 à installer est déterminé. Eventuellement, le fonctionnement du dispositif étant arrêté et pour permettre un30 fonctionnement optimal du dispositif de refroidissement, la paroi transversale 4 est enlevée, le nombre de tubes 244 adéquat mis en place par emboîtement et la paroi 204 est de nouveau fixée pour permettre le fonctionnement du dispositif de refroidissement.35 La partie externe 241 comporte des canaux 247 dans lesquels sont disposés des fils thermocouples permettant la détermination de la température à plusieurs niveaux de hauteur de la paroi de retenue 204. Elle comporte pour permettre cette détermination, une boîte externe accessible de connexion 248 ainsi que des moyens de préhension 249 pour 5 le retrait et la mise en place de la paroi de retenue 204. Un agencement de tubes 244 et d'embouts tubulaires 243 et 246 a été choisi, car de fabrication et de constitution relativement simple et fiable. Cependant, il peut être réalisé une telle paroi transversale de hauteur réglable10 avec des éléments superposés de forme différente. Le premier dispositif de mesure de la température 300 des solides en sortie du bac 100 est visible sur la figure 4. Il est disposé en amont de la conduite 201 du dispositif de refroidissement 200 et comporte trois sondes de mesure de température 301, 302, 303 traversant la conduite d'évacuation 110. Ces sondes sont disposées éventuellement à des niveaux différents et réparties sur la périphérie de la conduite d'évacuation 110, décalées de 120' l'une de l'autre. Elle permettent de déterminer par moyenne la température tes d'entrée des solides dans le dispositif de refroidissement 200. Le second dispositif de mesure de la température des solides 400 en sortie du dispositif de refroidissement 200 est visible sur la figure 4. Il comprend d'une part des sondes de détermination de la température à plusieurs niveaux de hauteur de la paroi de retenue 204. Comme il a été vu plus haut, ce sont de préférence des fils thermocouples disposés dans les tubes30 244 et passant dans les canaux 247 de la partie externe 241 de la paroi de retenue 204. Il comprend d'autre part une sonde 402 de détermination de la température en forme de T renversé, disposée en aval de ladite paroi de retenue 204 dans un35 prolongement 401 de la conduite 201 pourvu de buses de fluidisation 403. Ces buses 403 sont agencées comme celles du dispositif de refroidissement 200. Elles traversent le prolongement de conduite 401 dans sa partie inférieure et sont alimentées par un collecteur 404 situé sous le prolongement de conduite 401. Dans ce collecteur 404 est 5 injecté le gaz de fluidisation par l'entrée 405. Cette fluidisation supplémentaire permet d'homogénéiser le flux de particules solides dans le prolongement de conduite 401. Eventuellement, une autre sonde 406 rectiligne peut être disposée à l'extrémité du prolongement de conduite 401. Ainsi, grâce à ce second dispositif de mesure 400 de la température, peut être déterminée par moyenne la température de sortie tss des particules solides en sortie du dispositif de refroidissement 200. Par calcul du bilan enthalpique, il est donc possible de déterminer le débit de solides traversant le dispositif de refroidissement 200. Plus exactement, ce bilan mène à la relation ds cps (tes-tss) = de Cpe (tse-tee) d. étant le débit des particules solides recherché, test tss, de, tse, tee étant mesurés comme vu plus haut et cps et Cpe étant les chaleurs massiques des particules solides et du fluide caloporteur. Un système de régulation associé permet d'effectuer ces calculs en continu. Il est possible d'équiper un réacteur d'au moins un dispositif de contrôle comme décrit précédemment. 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, comme30 représenté sur la figure 7. 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 de la zone supérieure 2 et les renvoie en partie par débordement vers la zone inférieure 3 tout le35 long et au-dessus des parois de déversement 28, 29. La zone inférieure 3 est pourvue d'une grille de fluidisation 11 pouvant être compartimentée et de moyens d'injection d'air primaire 12 en-dessous de la grille 11. Des moyens d'injection d'air secondaire 13 au-dessus de la grille 11 et des moyens d'introduction de combustible 10 sont également prévus de façon classique en soi. Les parois entourant la zone inférieure 3 sont pourvues de tubes d'échange thermique et la zone supérieure 2 est entourée par des parois 4 munies de tubes d'échange thermique. La figure 8 est une vue en coupe horizontale du réacteur représenté sur la figure 7. Il comporte plusieurs dispositifs de contrôle répartis sur sa périphérie intérieure, ces dispositifs étant disposés à une même hauteur.15 Il est bien entendu qu'un dispositif de contrôle conforme à l'invention peut être installé en tout lieu du réacteur o il est souhaité de réaliser un contrôle en continu de la circulation interne des particules solides. Avantageusement, comme représenté sur les figures 7 et 8, de20 tels dispositifs 100, 200 sont placés sur les parois latérales, à chaque compartimentage de la grille de fluidisation. Par exemple, si latéralement le réacteur est compartimenté en trois 111, 112, 113 comme représenté sur la figure 8, trois dispositifs 100, 200 sont disposés sur les parois latérales, un à chaque coin et un au milieu de ces parois. Ainsi, selon les indications de ces dispositifs de contrôle, la répartition longitudinale et transversale de l'alimentation en gaz des compartiments peut être réglée en conséquence. Avantageusement, les dispositifs de contrôle sont disposés dans un plan horizontal au-dessus des lits internes 22, 23 ou comme représentés sur les figures 7 et 8, au niveau de ces lits internes. Dans ce cas, les dispositifs de contrôle disposés sur les parois latérales du réacteur ont avantageusement leur bac de prélèvement 100 formé par un compartiment du lit interne 22, 23 correspondant. REVENDICATIONS 1) Procédé de contrôle en continu du débit de circulation interne des particules solides dans un lit fluidisé circulant comportant une zone inférieure (3) o est injecté le gaz de fluidisation et une zone supérieure (2) entourée par des parois (4), caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer en continu et localement le débit de solides s'écoulant vers le bas le long desdites parois (4).10 2) Dispositif de contrôle en continu du débit de circulation interne des particules solides dans un lit fluidisé circulant comportant une zone inférieure (3) o est injecté le gaz de fluidisation et une zone supérieure (2) entourée par des parois (4), pour la mise en oeuvre du15 procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte - un bac de prélèvement (100) de solides de circulation interne accolé à une desdites parois (4) du réacteur et pourvu de moyens de fluidisation (102),20 - une conduite d'évacuation (110) desdits solides dudit bac (100) vers un dispositif (130) de mesure du débit desdits solides, - une conduite de reversement (120) desdits solides du dispositif de mesure (130) vers l'intérieur du réacteur. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de mesure du débit (130) est disposé à l'extérieur du réacteur. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de mesure du débit (130) comporte - un premier dispositif (300) de mesure de la température des solides en sortie du bac de prélèvement (100), - un dispositif de refroidissement des solides (200), - un second dispositif (400) de mesure de la température des solides en sortie du dispositif de refroidissement (200). ) Dispositif de refroidissement destiné à constituer le dispositif de contrôle selon la revendication 4, comportant une conduite d'évacuation (201) inclinée vers le bas, d'axe longitudinal x-x, pourvue d'un matériau réfractaire (202), recevant en partie haute les particules solides et associée à un agencement de refroidissement comprenant dans un bac de réception un ensemble de tubes d'échange de chaleur (206) o circule un fluide caloporteur et un ensemble d'aération permettant l'écoulement des particules solides (207), caractérisé en ce que le bac de réception est constitué par ladite conduite (201) inclinée d'au moins 5 degrés par rapport à un plan horizontal. 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite conduite (201) est inclinée de 5 à 20 degrés. 7) Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'ensemble de tubes d'échange (206) est constitué de tubes (261) parallèles à l'axe x-x disposé dans la conduite (201). 8) Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ladite conduite est équipée d'une paroi de retenue (204) des particules solides située en aval de l'ensemble de tubes d'échange (206). 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite paroi de retenue (204) est transversale et extractible. ) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite paroi de retenue (204) est constituée d'éléments (244) allongés superposés et amovibles. 11) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les tubes d'échange (261) sont des tubes doubles concentriques, l'entrée (262) et la sortie (263) du fluide caloporteur étant situées d'un même côté de la conduite (201). 12) Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que l'ensemble d'aération (207) comprend des buses (271) traversant la conduite (201) dans sa partie inférieure et alimentées par un collecteur compartimenté (272) situé sous la conduite (201). 13) Dispositif de mesure de température d'un flux de solides destiné à former le second dispositif de mesure (400) constituant le dispositif de contrôle conforme à la revendication 4 et associé à un dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend - des sondes de détermination de la température à plusieurs niveaux de hauteur de la paroi de retenue (204), - une sonde (402) de détermination de la température disposé en aval de ladite paroi de retenue (204) dans un prolongement de la conduite (201) pourvu de buses de fluidisation (403).15 14) Réacteur équipé d'au moins un dispositif de contrôle conforme à l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs dispositifs de contrôle répartis sur sa périphérie intérieure, ces dispositifs étant disposés à une même hauteur.20 15) Réacteur selon la revendication 14 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 par25 débordement vers la zone inférieure (3) tout le long et audessus des parois de déversement (28, 29), réacteur caractérisé en ce qu'au moins certains dispositifs de contrôle ont leur bac de prélèvement (100) formé par un compartiment du ou des lits internes (22, 23).30