Brevet FR2887322A1 — publié le 20061222

DISPOSITIF A LIT FLUIDISE CIRCULANT POURVU D'UN FOYER DE COMBUSTION A L'OXYGENE La présente invention concerne un dispositif à lit fluidisé circulant pourvu d'un foyer de combustion à l'oxygène, un séparateur du gaz et des particules solides, un circuit de retour des solides vers le foyer et un conduit sortant du séparateur et menant les gaz vers une chaudière de récupération. Il est connu d'utiliser en tant qu'agent comburant de l'oxygène au lieu d'air dans des chaudières de production d'énergie. L'avantage de l'utilisation d'oxygène en tant qu'agent comburant est la réduction jusqu'à l'élimination du ballast en azote diluant le dioxyde de carbone contenu dans les fumées et provenant de l'azote contenu dans l'air de combustion, ainsi que la réduction importante des dimensions de l'équipement nécessaire. L'application de ce principe à une chaudière à lit fluidisé circulant est divulguée dans le brevet US 6 505 567. Selon ce document, un générateur de vapeur ou foyer de chaudière à lit fluidisé circulant comprend des moyens d'introduction d'oxygène sensiblement pur dans le générateur. L'avantage de la technique à lit fluidisé circulant est qu'elle permet d'extraire de la chaleur sur la boucle des solides en circulation et de conserver une température de combustion basse, découplée de la teneur en oxygène de l'agent comburant. Cette technique est donc particulièrement attractive et permet de maximiser la fraction d'oxygène dans l'agent comburant et de minimiser la taille de la chaudière dépendant directement du débit de fumées produites. Selon cette technique les fumées émises par l'équipement de combustion sont composées principalement de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau. Cependant, ces fumées contiennent également une petite fraction de gaz incondensables dont de l'oxygène. Cette teneur en oxygène comprise typiquement entre 3 et 5% sur gaz secs ne peut pas être abaissée en deçà F:\Salle\FP002209\PREMDEP\TEXTE\texte définitif.doc d'un seuil minimal, environ 2,5%, imposé par la qualité de la combustion et des contraintes de sécurité. La qualité de la combustion est matérialisée par les teneurs en CO dans les fumées produites et par les imbrûlés solides contenus dans les 5 sousproduits de combustion. Or la teneur maximale en oxygène tolérée par les spécifications des systèmes de traitement du CO2 et surtout des réseaux de transport peut être de l'ordre de 100 ppm vol, imposition due principalement à des risques de corrosion des équipements véhiculant le CO2, risques accentués par la présence de vapeur d'eau. En effet, pour des pipelines en acier au carbone, le mélange gazeux CO2, SO2, H2O et 02 peut être incompatible, dépendant des proportions, avec une tenue mécanique satisfaisante à long terme. Il est donc essentiel de réduire de façon importante, voire même supprimer, la teneur en oxygène dans les fumées émises avant leur entrée dans le poste de traitement de CO2. Il est connu d'effectuer cette réduction par des traitements catalytiques supplémentaires qui sont complexes et génèrent des coûts importants d'investissement et de fonctionnement. Par ailleurs, il est connu selon le brevet européen EP 0 497 418, un procédé de combustion de charbon dans une chaudière de lit fluidisé circulant à air comportant une zone de mélange du charbon avec des matières solides chaudes venant de la chambre de combustion, selon lequel, en sortie d'un séparateur du gaz et des particules solides, du gaz de carbonisation, dit également gaz de pyrolyse, produit dans cette zone de mélange est soutiré et ajouté à du gaz de combustion contenant de l'oxygène et sortant du séparateur, le gaz de carbonisation étant brûlé de façon à élever la température à une valeur de 900 à 1200 C en vue de la réduction du protoxyde d'azote. L'invention concerne quant à elle un dispositif à lit fluidisé circulant 30 où la combustion est effectuée au moyen d'un mélange d'oxygène et de dioxyde de carbone pouvant contenir 21 à 100% d'oxygène. F:\Salle\FP002209\PREMDEP\TEXTE\texte définitif.doc L'invention propose d'adapter ce procédé d'utilisation de gaz combustible, plus particulièrement de gaz de pyrolyse, connu dans le cas d'un foyer à combustion à l'air, à un foyer à combustion à l'oxygène dans le but de supprimer l'oxygène résiduel du gaz de combustion. Pour ce faire, l'invention concerne un dispositif à lit fluidisé circulant pourvu d'un foyer de combustion à l'oxygène, d'un séparateur du gaz et des particules solides, d'un circuit de retour des solides vers le foyer et d'un conduit sortant du séparateur et menant les fumées de combustion vers une chaudière de récupération, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'injection de gaz combustible à la sortie du séparateur, ce gaz combustible étant propulsé par du dioxyde de carbone recyclé, dans le vortex résiduel créé à la sortie du séparateur, de façon à assurer dans ledit conduit un mélange intime avec les fumées de combustion et réduire ainsi par combustion résiduelle la teneur en oxygène de ces fumées. L'invention permet une réduction importante de la teneur en oxygène du dioxyde de carbone issu de l'équipement de combustion, pour le rendre compatible avec les contraintes imposées par le réseau de transport, sans avoir recours à des traitements catalytiques coûteux. Ce vortex résiduel en sortie du séparateur est caractérisé par une rotation d'axe vertical, de l'écoulement des fumées de combustion. Ce vortex résiduel qui peut être accentué par les choix de dimensionnement du séparateur, constitue une zone réactionnelle favorable pour effectuer un mélange gazeux. Ledit gaz combustible peut être du gaz de pyrolyse prélevé dans ledit conduit de retour à l'aval du point d'introduction du combustible dans le foyer ou du gaz naturel. Ce peut être également un mélange de ces deux types de gaz. De préférence, ledit moyen d'injection comprend une double rampe alimentant des injecteurs répartis sur le pourtour dudit conduit, constitués de double tubes concentriques, le tube interne injectant le gaz combustible et le tube externe le dioxyde de carbone recyclé. F:\Salle\FP002209\PREMDEP\TEXTE\texte définitif.doc Avantageusement, le dispositif conforme à l'invention comprend un dispositif d'injection à débit réglable de dioxyde de carbone recyclé dans le gaz de pyrolyse en amont dudit moyen d'injection dans le conduit sortant du séparateur. 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 schématique en coupe verticale d'une chaudière à lit fluidisé circulant conforme à l'invention. La figure 2 est une vue schématique de détail en coupe horizontale 10 d'un exemple de réalisation. Comme représenté sur la figure 1, un dispositif à lit fluidisé circulant est pourvu d'un foyer de combustion à l'oxygène 1, d'un séparateur du gaz et des particules solides 2, d'un circuit de retour 3 des solides vers le foyer et un conduit 4 sortant du séparateur et menant les fumées de combustion vers une chaudière de récupération non représentée. Le dispositif comprend un moyen d'injection 8 de gaz combustible à la sortie du séparateur 2, ce gaz combustible étant propulsé par du dioxyde de carbone recyclé, dans le vortex résiduel créé à la sortie du séparateur, de façon à assurer dans le conduit 4 Ln mélange intime avec les fumées de combustion et réduire ainsi par combustion résiduelle la teneur en oxygène de ces fumées. Ledit gaz combustible peut être du gaz de pyrolyse prélevé dans le ciel du conduit de retour 3 à l'aval du point d'introduction du combustible dans le foyer 1 ou du gaz naturel. Ce peut être également un mélange de ces deux types de gaz. Selon le mode de réalisation représenté, le gaz combustible est du gaz de pyrolyse prélevé dans le ciel du conduit de retour 3 à l'aval du point d'introduction du combustible dans le foyer 1. La chaudière à lit fluidisé circulant en oxy-combustion, c'est-à-dire dans laquelle la combustion est effectuée au moyen d'un mélange d'oxygène et de dioxyde de carbone se caractérise par un débit de fumées et corrélativement par des dimensions du foyer et du séparateur notablement F:\Salle\FP002209\PREMDEP\TEXTE\texte définitif.doc plus faibles que ceux d'une chaudière à l'air. Par exemple pour un mélange de comburant de 70% 02 et de 30% de CO2 recyclé, le débit de fumées est d'environ 30% du débit de fumées d'un fonctionnement à l'air. En conséquence, pour un débit de solides circulants maintenu égal à celui d'un fonctionnement à l'air, la concentration en solides entraînés par les fumées et circulant dans la boucle doit être notablement plus élevée de façon quasi proportionnelle. Il en résulte un gradient de pression plus élevé dans le foyer 1 et une perte de charge plus importante du séparateur 2, créant ainsi entre le point de prélèvement du gaz de pyrolyse dans le conduit de retour 3 et le point d'injection dans le conduit de sortie 4 du séparateur, une différence de pression suffisante pour assurer l'écoulement naturel de ce gaz. Selon un mode de réalisation préféré, le prélèvement et l'injection du gaz de pyrolyse sont assurés par un simple conduit calorifugé 6 piqué sur la génératrice supérieure du conduit de retour 3 et allant jusqu'aux piquages d'injection situés à l'aval et seulement à l'aval du séparateur 2 pour prendre avantage du vortex résiduel. Cette injection est préférentiellement effectuée sur le conduit vertical, directement en sortie du séparateur 2. En variante, il est possible de réaliser cette injection sur la portion 20 horizontale du conduit 4 reliant le séparateur 2 à la chaudière de récupération. L'efficacité de cette réduction de la teneur en oxygène de quelques pourcents à une centaine de ppm dépend de la température de l'ordre de 900 C en sortie du séparateur, d'un temps de séjour suffisant et d'une turbulence suffisante procurée par le vortex résiduel qui assure le mélange des espèces gazeuses, oxygène résiduel et gaz combustible dans le cas présent. Pour améliorer la pénétration du jet du gaz combustible dans l'écoulement rotationnel des fumées, on utilise préférentiellement du dioxyde de carbone recyclé. Cette injection de gaz combustible peut s'effectuer au moyen d'une double rampe 8 alimentant des injecteurs répartis sur le pourtour du conduit 4, constitués de double tubes concentriques, le tube F:\Salle\FP002209\PREMDEP\TEXTE\texte définitif. doc interne injectant le gaz combustible et le tube externe le dioxyde de carbone recyclé. Le débit de gaz combustible injecté selon l'invention est commandé par un analyseur d'oxygène 11 placé en aval de la chaudière de récupération sur le circuit des fumées. Cet emplacement est normalement utilisé pour l'analyseur d'oxygène de régulation principale de la chaudière, qui dans le cas d'application de l'invention est alors placé à l'amont du point d'injection de gaz 8. Le contrôle du débit de gaz combustible dans le cas du gaz de 10 pyrolyse est effectué par une injection à débit réglable 9 de dioxyde de carbone recyclé dans le conduit de gaz de pyrolyse. Cette addition de dioxyde de carbone peut varier entre un débit nul assurant ainsi le débit maximal de gaz de pyrolyse et le débit suffisant pour limiter le débit de gaz de pyrolyse à la valeur requise pour combiner l'oxygène résiduel contenu dans les fumées. Ce débit de CO2 ajouté augmente la perte de charge à l'aval et réduit ainsi le débit de gaz combustible qui dépend du différentiel de pression. La figure 2 illustre un exemple de réalisation d'une double rampe 8 telle que précédemment évoquée. Le nombre d'injecteurs 8A, 8B, est limité à un nombre maximum de 5, préférentiellement 3 comme illustré, de façon à assurer une bonne pénétration des jets et une répartition homogène de l'injection. Ces injecteurs sont régulièrement répartis sur le pourtour du conduit 4, constitués de double tubes concentriques, le tube interne injectant le gaz 25 combustible et le tube externe le dioxyde de carbone recyclé. A partir du conduit d'arrivée du gaz combustible 10, est agencé un conduit en arc de cercle entourant le conduit de fumées 4. Ce conduit en arc de cercle présente ici trois injecteurs internes s'ouvrant dans le conduit de fumées 4. De façon similaire à partir du conduit d'arrivée de dioxyde de carbone recyclé 7, est agencé un second conduit en arc de cercle entourant le conduit de fumées 4. Ce conduit en arc de cercle présente ici trois F:\Salle\FP002209\PREMDEP\TEXTE\texte définitif.doc injecteurs externes concentriques avec les injecteurs internes précédemment cités et s'ouvrant dans le conduit de fumées 4. F:\Salle\FP002209\PREMDEP\TEXTE\texte définitif.doc 8 REVENDICATIONS 1. Dispositif à lit fluidisé circulant pourvu d'un foyer de combustion à l'oxygène (1), d'un séparateur du gaz et des particules solides (2), d'un circuit de retour des solides vers le foyer (3) et d'un conduit (4) sortant du séparateur et menant les gaz vers une chaudière de récupération, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'injection de gaz combustible à la sortie du séparateur (2), ce gaz combustible étant propulsé par du dioxyde de carbone recyclé, dans le vortex résiduel créé à la sortie da séparateur, de façon à assurer dans le conduit aval (4) un mélange intime avec les fumées de combustion et réduire ainsi par combustion résiduelle la teneur en oxygène de ces fumées. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz combustible injecté est du gaz de pyrolyse prélevé dans ledit conduit de retour (3) à l'aval du point d'introduction du combustible (5) dans le foyer (1). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz combustible injecté contient du gaz naturel. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit moyen d'injection comprend une double rampe alimentant des injecteurs répartis sur le pourtour dudit conduit, constitués de double tubes concentriques, le tube interne injectant le gaz combustible et le tube externe le dioxyde de carbone recyclé. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'injection à débit réglable de dioxyde de carbone recyclé dans le gaz de pyrolyse en amont dudit moyen d'injection dans le conduit sortant du séparateur. F:\Salle\FP002209\PREMDEP\TEXTE\texte définitif.doc