Brevet FR2884900A1 — publié le 20061027

La présente invention concerne les réacteurs à lit fluidisé tels que des foyers de chaudières. Ces réacteurs comprennent un foyer généralement constitué de parois tubées à membranes refroidies par un fluide caloporteur tel qu'un mélange eau/vapeur. La section du foyer qui peut être rectangulaire est déterminée par la vitesse ascendante des fumées de combustion pour son bon fonctionnement. Le périmètre du foyer étant fixé, le débit du fluide caloporteur pouvant circuler dans les tubes des parois sera déterminé en fonction du diamètre et du pas choisi pour lesdits tubes. La hauteur o du foyer permet d'obtenir la surface d'échange thermique des quatre parois, cependant cette hauteur doit être optimisée dans un soucis de réduction de hauteur et donc du coût de l'installation mais aussi de façon que le temps de séjour nécessaire aux réactions chimiques entre les particules puissent se réaliser à l'intérieur du foyer. En fonction de la taille des installations et du cycle vapeur voulu, la section du foyer donne un périmètre qui peut être insuffisant pour installer dans les parois les tubes en parallèle nécessaires pour faire circuler le débit de fluide caloporteur. De plus, le besoin d'échange thermique peut nécessiter l'installation de surfaces d'échange supplémentaires dans le foyer. Une solution déjà connue consiste à ajouter dans le foyer des panneaux d'extensions simples de paroi telles que décrites dans le brevet FR 2 712 378 du demandeur. Ces panneaux d'extensions sont verticaux, tubées et à membranes, soudées aux parois périphériques et alimentées en fluide caloporteur en parallèle ou en série avec les parois formant l'enveloppe extérieure du foyer. Cependant ces panneaux d'extensions simples de paroi sont limitées en hauteur, en nombre de tubes les constituant et en quantité à cause de la distance minimale requise entre eux, pour des raisons de contraintes mécaniques et d'érosion par les cendres en circulation dans le foyer. La surface d'échange additionnelle est donc limitée. Ces panneaux d'extensions simples de parois sont chauffées par les cendres et les gaz sur leurs deux faces ce qui peut dans certains cas entraîner une surchauffe des tubes en cas de déséquilibre entre le flux thermique reçu du lit fluidisé circulant dans le foyer et le débit de fluide caloporteur qui assure le refroidissement des tubes. Une autre solution pourrait consister à augmenter la hauteur du foyer afin d'augmenter la surface d'échange des parois sans ajout d'extensions internes mais cette solution est coûteuse car toute la hauteur de l'installation est augmentée. io La présente invention propose de résoudre à moindre coût et sans augmentation de hauteur de l'installation le problème de l'insuffisance des surfaces d'échanges dans le foyer. Le réacteur à lit fluidisé selon l'invention est constitué de parois tubées à membranes refroidies par un fluide caloporteur, ces parois entourant un foyer et il est caractérisé en ce que les parois comprennent des panneaux d'extensions tubées parcourues par un fluide caloporteur en circulation forcée mono passe. Le fluide caloporteur qui circule ainsi dans les tubes des parois et des extensions tubées permet d'équilibrer le flux thermique reçu du lit fluidisé circulant dans le foyer. La circulation est mono passe, c'est à dire que tous les tubes du foyer et des extensions sont parcourus en parallèle. La circulation mono passe évite de longues tuyauteries de liaison entre les panneaux d'extension et les parois du foyer (en partie haute pour la sortie des panneaux et en partie basse pour l'entrée des parois du foyer). II ne reste donc plus que des tuyauteries d'alimentation en partie basse et de dégagement en partie haute pour les panneaux et les parois du foyer. Selon une disposition particulière, les panneaux d'extensions sont jumelées deux à deux. Ainsi, seule, une face de chaque extension est chauffée par le lit fluidisé circulant dans le foyer, ce qui permet un débit du fluide caloporteur réduit car la seconde face de chacun des panneaux d'extension ainsi jumelée n'est pas en contact avec les cendres et les gaz chauds constituant le lit fluidisé circulant dans le foyer ce qui évite des modes de transfert de chaleur dommageables à la tenue mécanique des tubes. D'autre part, en doublant le nombre de tubes de chaque panneau d'extension on augmente la section de passage du fluide caloporteur qui circulent dans ces extensions par rapport à des extensions simples et on augmente la surface d'échange. Ces extensions doubles parois ont une meilleure tenue mécanique, il est possible de leur donner de plus grande dimension. Selon une autre disposition, les panneaux d'extensions sont io rattachées aux parois du réacteur. Ce qui permet d'améliorer la rigidité et de minimiser les déformations des panneaux qui pourrait donner lieu à des érosions par des solides descendant en couche le long des parois. Selon une variante, les panneaux d'extensions partent du sommet du réacteur et au plus sur une hauteur égale à 75% de la hauteur du foyer. Car c'est dans la zone haute du foyer que la température est la plus élevée et que les risques d'érosion sont les plus faibles puisque les concentrations de solides diminuent selon la hauteur et que l'atmosphère gazeuse en partie haute du foyer est pleinement oxydante. Selon une autre variante, le bas du foyer est en forme de foyer divisé dit "pant leg". Cette forme permet l'introduction d'air de combustion dans la zone centrale du foyer pour bien répartir cet air sur toute la section du foyer. Selon une disposition particulière, le fluide caloporteur est en phase liquide et/ou gazeuse selon la charge thermique de fonctionnement de la chaudière. Le fluide est liquide en charge faible et gazeux en charge élevée. Selon une disposition particulière, le fluide caloporteur est de l'eau. Selon une variante, les panneaux d'extensions forment des enceintes comportant des ouvertures. Ces ouvertures permettent d'éviter la montée en pression à l'intérieur de l'enceinte en cas de fuite du fluide caloporteur des tubes. Selon une disposition particulière, les panneaux d'extensions sont placés au moins en partie dans la couche dense des solides. Car c'est dans cette zone de forte concentration des solides que les échanges thermiques sont les plus élevés. Selon une autre disposition, les tubes constituant les panneaux io d'extensions sont de dimensions différentes de celles des tubes des parois. Selon une première variante, le pas entre deux tubes constituant les panneaux d'extensions est fixe. Ceci simplifie la fabrication des panneaux. Selon une deuxième variante, le pas entre deux tubes constituant les panneaux d'extensions est variable. Ce qui permet d'optimiser la tenue thermodynamique desdits panneaux et de ne pas dépasser les seuils de température du métal. Selon une troisième variante, la distance entre deux panneaux 20 d'extensions jumeaux est égale au pas entre deux tubes de la paroi d'écran du foyer. La fabrication de l'ensemble est ainsi simplifiée. Selon une autre disposition, les tubes des panneaux d'extensions sont parcourus en fluide caloporteur en série avec les parois périphériques. Ce choix dépend des cycles vapeur et des puissances thermiques à échanger dans les panneaux d'extension. Selon une autre disposition particulière, les panneaux d'extensions sont disposées sur des parois de partition qui divisent le foyer. Ceci permet d'augmenter le nombre de panneaux d'extension et donc d'augmenter le nombre de surfaces d'échange à moindre coût. Selon une variante, les parois de partition partent du sommet du réacteur et au plus sur une hauteur égale à 75% de la hauteur du foyer. Ces parois double de partition peuvent être de type écarté ou rapproché selon les prescriptions d'accès pour la maintenance entre les parois. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui 5 va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1, 2, 3 et 4 montrent des vues en coupe horizontale de réacteurs équipés de panneaux d'extensions selon l'invention, - les figures 5a à 5t sont des vues en coupe horizontale qui io illustrent différentes formes de panneaux d'extensions possibles, - la figure 6 est une vue en coupe horizontale de doubles panneaux d'extensions sur une paroi double de partition de type rapproché, - la figure 7 est une vue en coupe horizontale de doubles 15 panneaux d'extensions sur une paroi double de partition de type écarté, -le figure 8 est une vue en coupe horizontale d'un exemple de foyer comportant deux parois double de partition et des doubles panneaux extensions sur les parois périphériques et les parois de partition, - la figure 9 est une vue en coupe verticale d'une double extension, - la figure 10 est une vue en coupe horizontale d'une double extension, les figures 1 1 a à 1 1 d sont des vues en coupe verticale 25 d'exemples d'installation de parois doubles de partition, - les figures 12a à 12c sont des vues en perspective d'exemples d'installation de parois doubles de partition, - la figure 13 est une vue en coupe verticale d'exemple d'installation de doubles parois de partition, - les figures 14a à 141 sont des exemples de différentes positions des collecteurs d'entrée et de sortie pour les parois doubles de partition. Les figures 1 à 4 représentent un réacteur à lit fluidisé 1 constitué de parois tubées 2 à membranes refroidies par un fluide caloporteur entourant un foyer 10. Les parois 2 comprennent des extensions tubées 3. La paroi 11 comprend des ouvertures 5 qui communiquent avec les cyclones (non représentés). Ces extensions peuvent être disposées perpendiculairement à la paroi 11 comme sur la figure 1 ou parallèle à io la paroi 11 comme sur la figure 2 ou constituer des parois 4 de partition du foyer 10 comme sur la figure 3 où le foyer 10 est divisé en trois et la figure 3a où le foyer est divisé en deux. Sur la figure 4, le foyer 10 est divisé en 6. Les figures 5 représentent les différents types de panneaux d'extension possibles. Cet ensemble de figures illustre la variété des constructions possibles qui dépend des besoins en surface d'échange et des critères de tenue thermodynamique qui eux-même sont fonction des conditions du cycle liquide gazeux ou eau vapeur. En particulier, les figures 5u à 5t possèdent un seul tube en extrémité afin de réduire le flux thermique reçu par le tube et l'ailette d'extrémité. La figure 6 représente le détail d'une paroi double de partition 4 de type rapproché sur laquelle on a disposé des panneaux d'extensions 3. Les figures 7 et 8 représentent une paroi de partition 4a de type 25 écarté sur laquelle on a disposé des panneaux d'extensions 3. La figure 7 représente le détail de la paroi 4a. A titre d'exemple, le panneau d'extension 3 est alimentée par un circuit de distribution 30, elle est composée de tubes 31 qui sont tenus espacés par une ailette échancrée d'étanchéité 32. Le fluide caloporteur circule dans les tubes 31 du collecteur d'entrée 33 vers le collecteur de sortie 34 (cf. figure 9). L'extension 3 représentée à la figure 10 est vue de dessus en coupe. Elle est constituée de tubes 31. La double paroi de partition 4 peut être disposée de différente façon: soit sur la totalité de la hauteur comme à la figure 11 a, soit seulement en partie centrale comme à la figure 11 b, soit jusqu'à une hauteur intermédiaire comme sur la figure 11c, soit du plafond jusqu'à une hauteur intermédiaire comme à la figure 11d ou figure 12a. Il est également possible de mettre plusieurs doubles parois de partition 4 parallèles comme sur les figures 12b et 13, ou qui sont en o inetrsection comme sur la figure 12c. II est ainsi possible de séparer le foyer 10 en plusieurs sous foyers 10a. On peut ainsi obtenir un foyer avec 6 cyclones 5 et deux parois doubles de partition 4 parallèles qui divisent le foyer 10 en 3 sous foyers 10a débouchant chacun sur 2 cyclones 5. La figure 14 représente les différentes dispositions de collecteurs d'entrée et de sortie possibles pour les doubles parois de partition avec des parois de type rapproché (figures 14h à 141) ou espacé (14a à 14 g). Le choix de ces différentes dispositions de collecteurs est fonction de la taille des parois de partition et de l'optimisation de la distribution du fluide caloporteur dans ces parois. Les exemples ci-dessus peuvent être étendus à des foyers de section non rectangulaire, comme par exemple de section carrée hexagonale, octogonale ou circulaire. REVENDICATIONS 1. Réacteur à lit fluidisé (1) constitué de parois tubées (2) à membranes refroidies par un fluide caloporteur, lesdites parois entourant un foyer (10) caractérisé en ce que les parois (2) comprennent des panneaux extensions tubées (3) parcourues par un fluide caloporteur en circulation forcée mono passe. 2. Réacteur à lit fluidisé (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les panneaux d'extensions (3) sont jumelées deux à deux. 3. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, io caractérisé en ce que les panneaux d'extensions (3) sont rattachées aux parois (2) du réacteur (10). 4. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les panneaux d'extensions (3) partent du sommet du réacteur (1) et au plus sur une hauteur égale à 75% de la hauteur du foyer (10). 5. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bas du foyer (10) est en forme de foyer divisé. 6. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est en phase liquide et/ou gazeuse selon la charge thermique de fonctionnement de la chaudière. 7. Réacteur à lit fluidisé (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est de l'eau. 8. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les panneaux d'extensions (3) forment des enceintes comportant des ouvertures. 9. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les panneaux d'extensions (3) sont placés au 30 moins en partie dans la couche dense des solides. 10. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes (31) constituant les panneaux d'extensions (3) sont de dimensions différentes de celles des tubes des parois (2). 11. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pas entre deux tubes (31) constituant les extensions (3) est fixe. 12. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le pas entre deux tubes (31) constituant les o panneaux d'extensions (3) est variable. 13. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que la distance entre deux panneaux d'extensions jumeaux (3) est égale au pas entre deux tubes (31) de la paroi du foyer (10). 14. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes (31) des panneaux d'extensions (3) sont parcourus en fluide caloporteur en série avec les parois périphériques(2). 15. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les panneaux d'extensions (3) sont disposées sur des parois de partition (4, 4a) qui divisent le foyer (10). 16. Réacteur à lit fluidisé (1) selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois de partition (4) partent du sommet du réacteur (1) et au plus sur une hauteur égale à 75% de la hauteur du foyer (10).