EP0568448A1 - Réacteur à lit fluidisé circulant comportant des échangeurs extérieurs alimentés par la recirculation interne - Google Patents

Réacteur à lit fluidisé circulant comportant des échangeurs extérieurs alimentés par la recirculation interne Download PDF

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EP0568448A1
EP0568448A1 EP93401095A EP93401095A EP0568448A1 EP 0568448 A1 EP0568448 A1 EP 0568448A1 EP 93401095 A EP93401095 A EP 93401095A EP 93401095 A EP93401095 A EP 93401095A EP 0568448 A1 EP0568448 A1 EP 0568448A1
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EP
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reactor
external
fluidized bed
internal
dense
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Jean Vidal
Jean-Xavier Morin
Jean-Paul Tessier
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Stein Industrie SA
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Stein Industrie SA
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    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B31/00—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus
    • F22B31/0007—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed
    • F22B31/0084—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed with recirculation of separated solids or with cooling of the bed particles outside the combustion bed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F23C10/02—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed
    • F23C10/04—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone
    • F23C10/08—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone characterised by the arrangement of separation apparatus, e.g. cyclones, for separating particles from the flue gases
    • F23C10/10—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated to a section, e.g. a heat-exchange section or a return duct, at least partially shielded from the combustion zone, before being reintroduced into the combustion zone characterised by the arrangement of separation apparatus, e.g. cyclones, for separating particles from the flue gases the separation apparatus being located outside the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C10/00—Fluidised bed combustion apparatus
    • F23C10/02—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed
    • F23C10/12—Fluidised bed combustion apparatus with means specially adapted for achieving or promoting a circulating movement of particles within the bed or for a recirculation of particles entrained from the bed the particles being circulated exclusively within the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2206/00—Fluidised bed combustion
    • F23C2206/10—Circulating fluidised bed
    • F23C2206/103—Cooling recirculating particles

Definitions

  • the circulating fluidized bed reactor is used today in thermal power plants and for ever higher powers.
  • the greatest power in service is 150 megawatts electric.
  • the present invention relates to a circulating fluidized bed reactor comprising a lower fluidized bed zone in rapid circulation provided with a fluidization grid, means for injecting primary air below the grid and means for injecting secondary air above the grid, the walls of the reactor surrounding said lower zone being provided with cooling tubes, an upper zone with fluidized bed in rapid circulation surrounded by walls of the reactor provided with cooling tubes, means of introduction of fuel in the lower zone, at least one external exchanger, comprising a dense fluidized bed joined against a wall of the reactor, said bed being supplied with materials coming from the reactor and rejecting these materials in the lower zone after heat exchange with an external fluid to reheat.
  • the external exchanger is supplied by a siphon preceded by a cyclone separating the solids discharged at the top of the upper zone of the reactor.
  • This external exchanger placed below the cyclone and the siphon is attached to the lower part of the lower zone, which has the drawback of preventing the injection of secondary air on one of the main faces of the reactor, thereby limiting the distance between front face and rear face of the reactor, therefore its power for a given rear face length.
  • the reactor according to the invention does not have this drawback is characterized in that it comprises at least one dense internal fluidized bed installed at the upper part of the lower zone on one or more faces of the reactor and making it possible to collect on the one hand the solid materials falling along the walls of the upper zone and on the other hand those originating from the fall in speed of the fluidization gases when the internal dense fluidized bed or beds pass, the ratio of the cross section of the upper zone to that of the lower zone at the level of the internal bed (s) being between 1.05 and 2 and in that the external exchanger (s) is or are (are) arranged ) above the secondary air inlets and is or are supplied with solid matter by the internal dense fluidized bed or beds, the overflow of solid matter from this or these latter ) bed (s) being spilled in the lower area.
  • the reactor according to the invention can easily be of limited height.
  • FIG. 1 schematically represents a front view of the reactor according to the invention.
  • FIG. 2 schematically represents a top view of the reactor of FIG. 1.
  • FIG. 3 schematically represents a side view of the reactor of FIG. 1.
  • FIG. 4 schematically represents a vertical view of the reactor of FIG. 1, according to IV-IV of FIG. 2.
  • FIG. 5 schematically represents an enlarged and partial view of the reactor of FIG. 1, according to V-V of FIG. 2.
  • FIG. 6 schematically represents another partial vertical view of the reactor of FIG. 1, according to VI-VI of FIG. 2.
  • FIGS. 7A, 7B, 7C schematically represent a variant of the reactor according to the invention, respectively a side view, a top view and a front view.
  • FIGS. 8A, 8B, 8C schematically represent a second variant of the reactor according to the invention.
  • Figures 9A, 9B, 9C schematically represent a third variant of the reactor according to the invention.
  • FIG. 10 schematically represents a variant in front view of a reactor according to the invention suitable for high power and comprising a lower zone divided into two parts.
  • FIG. 11 schematically represents a top view of the reactor of FIG. 10.
  • FIG. 12 schematically represents a side view of the reactor of FIG. 10.
  • FIG. 13 schematically represents an enlarged partial view of the reactor of FIG. 10.
  • FIG. 14 represents a water-steam diagram of the installation of which the reactor of FIG. 10 is a part.
  • FIGS. 1 to 6 The circulating fluidized bed reactor, object of the invention, and intended for the combustion of carbonaceous materials is shown in FIGS. 1 to 6.
  • FIGS. 7, 8, 9 the arrangement of the internal dense fluidized beds 22, 23 and of the external exchangers 18, 19, 20, 21 shown in FIGS. 1 to 6 can vary. Other nonlimiting examples involving the number or the relative situation of these devices are shown in FIGS. 7, 8, 9.
  • the internal dense fluidized beds 22 and 23 and the external exchangers 18, 19, 20, 21 are on the same faces; in FIG. 8, the external exchangers 18 and 19 are installed on a single lateral face, the internal dense beds 22 and 23 being always installed on the front and rear faces; in FIG. 9, there is only one external exchanger 18 installed on a side face and an internal dense bed 22 installed on the front face.
  • the main interest of this new circulating fluidized bed reactor is to be able to install, thanks to the simplification of the connections, the external exchangers 18, 19, 20, 21 at a level such that the lower zone 3 of the reactor is freed from both these external exchangers 18, 19, 20, 21 and their connection with the reactor and therefore fully available to design and install the circuits which concern combustion (primary air, secondary air) and the return of solid materials from cyclones 7 installed at the outlet of the reactor.
  • This characteristic allows extrapolation to large powers as shown in the example below.
  • a high power circulating fluidized bed reactor (300 megawatts electric) is shown in Figures 10, 11, 12 and 13.
  • the thermal power exchanged is around 750 MW, broken down into 450 MW for the exchange with the internal tubular walls of the reactor (125 MW) and the external exchangers (325 MW), and 300 MW for the exchangers located in the envelope 4 and the air heaters 15.
  • the lower zone 3 is divided into two parts 3A and 3B which makes it possible to divide the width between the side faces 24 and 25 in half.
  • the width is a factor limiting the penetration of the secondary air jets 13 necessary for the production good combustion.
  • the primary air circuits 12, secondary 13 and the returns 9 of solid materials from the cyclones 7 are optimally arranged around the lower parts 3A and 3B by virtue of the installation in accordance with the principles set out in the preceding paragraphs of two dense fluidized beds internal 22 and 23 installed against the left and right side walls 24, 25 of the reactor and four external exchangers 18, 19, 20 and 21 attached to the outside of the reactor on the front and rear faces 34, 35, supplied with solid material by fluidized pipes 46, 47, 48, 49.
  • Each of the four exchangers 18, 19, 20, 21 is divided into two (18A, 18B etc 7) by a central partition 50, 51, 52, 53, open at its upper part to allow the supply of solid matter from the downstream part by overflow.
  • the exchanger 18 is divided into two parts 18A and 18B, the part 18A is supplied from the internal dense fluidized bed 22 by the pipe 46, the part 18B is supplied by overflow at above the vertical partition 50, the upper level of which corresponds to 40A (FIG. 13), the solid matter falling into the lower part 3A of the reactor through the window 42, the lower level of which fixes the height of the fluidized bed of the part. 18B.
  • the internal dense fluidized beds 22 and 23 are equipped with fluidization grids 30, 31 through which the inert fluidization gases are blown by means 32, 33.
  • the external exchangers such as 18A, 18B, 20A, 20B, are equipped with fluidization grids such as 36A, 36B, 37A, 37B through which fluidizing air is blown by means such as 38A, 38B, 39A, 39B etc ...
  • Figure 10 are shown the positions of the evaporator 56 consisting of the tubes 4 arranged as shown in Figure 1, on the internal walls of the reactor and those of the high temperature superheater 60, the low temperature reheater 61 and the economizer 55 in envelope 14.
  • FIG. 11 shows the arrangement of the devices in the external exchangers 18, 19, 20, 21 attached to the intermediate height of the reactor: the medium temperature superheaters 59 and evaporators 57 respectively in the external exchangers 20A and 21A, 20B and 21B, the high superheaters temperature 62 and low temperature superheaters 58 respectively in the external exchangers 18A and 19A, 18B and 19B.
  • the heat exchange between solid matter and vapor in the external exchangers 20 and 21 makes it possible to adjust the temperature of the reactor to 850 ° C. for example.
  • the heat exchange between solid materials and steam in the exchangers 18 and 19 makes it possible to adjust the temperature of the reheated steam to the chosen set value, 565 ° C. for example.
  • FIG. 10 clearly shows that the entire lower zone of the reactor is divided into two parts, each of which can be equipped, without any constraint due to the external exchangers, with its combustion circuits, in particular two or more levels of secondary air on its eight faces and returns of the four cyclones, on its lateral faces.
  • each lower part 3A or 3B corresponds to a circulating fluidized bed reactor of 150 megawatts electric.
  • the example above corresponds to a power of 300 megawatts electric but a reactor according to the invention can be produced for a higher power for example 600 megawatts electric by increasing the length of the side faces and the surface of the external exchangers on the front faces. and back.

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Abstract

Réacteur à lit fluidisé circulant comportant une zone inférieure (3) avec grille de fluidisation (11), injection d'air primaire et secondaire (12, 13) et alimentation en combustible (10), une zone supérieure (2), des lits fluidisés denses internes (22, 23) en haut de la zone inférieure (3) prélevant des matières solides sur la recirculation interne du réacteur et les envoyant partiellement dans les échangeurs extérieurs à lit fluidisé dense accolés contre les parois du réacteur au niveau des lits internes (22, 23). Ces échangeurs extérieurs rejettent les matières, après échange de chaleur avec un fluide extérieur, dans la zone inférieure (3).
Réacteur de construction simple bénéficiant des avantages des lits extérieurs denses tout en maintenant une construction classique de la zone inférieure (3).

Description

  • Le réacteur à lit fluidisé circulant est utilisé aujourd'hui de façon courante dans les centrales thermiques et pour des puissances de plus en plus élevées. La plus grande puissance en service est de 150 Mégawatts électiques.
  • Il existe trois types de lit fluidisé circulant se différenciant par le réglage de la température du réacteur qui, pour une bonne efficacité de désulfuration des fumées, doit être maintenue constante à un valeur proche de 850°C :
    • Le premier est caractérisé par la présence de panneaux d'échangeurs installés dans le réacteur (brevet français METALLGESELLSCHAFT n° 2 323 101) et utilise, pour maintenir cette température, l'ajustement de la concentration en matières solides soit par réglage des débits d'air primaire et secondaire, soit par un débit variable de recyclage de gaz de combustion. Mais lorsque la puissance de l'installation augmente, il est nécessaire d'étendre l'implantation de ces panneaux d'échangeurs vers des niveaux de plus en plus bas dans le réacteur avec corrélativement des risques d'érosion augmentés.
    • Le deuxième est caractérisé par la présence d'échangeurs extérieurs disposés sur la recirculation externe de matières solides captées à la sortie du réacteur par un séparateur (brevet français METALLGESELLSCHAFT n° 2 353 332). Ces échangeurs extérieurs sont installés à l'écart du réacteur, cette disposition nécessitant des gaines de liaison entre cyclone et échangeur extérieur, et entre échangeur extérieur et réacteur avec les pentes et joints de dilation nécessaires. Lorsque la puissance d'un réacteur augmente, la puissance d'échange de ses parois tubulaires n'augmente pas en général proportionnellement par suite de limitation de sa hauteur donc la puissance des échangeurs extérieurs augmente plus vite ainsi que leur nombre et leurs dimensions. Ceci rend encore plus difficile, voire impossible leur installation et limite actuellement la puissance électrique actuellement envisageable dans cette technologie.
    • Le troisième est celui indiqué par STEIN INDUSTRIE dans sa demande de brevet européen n° 91 401 041.8, caractérisé par une chute de vitesse des gaz de fluidisation à l'intérieur même du réacteur au passage d'un lit fluidisé dense installé à un niveau intermédiaire du réacteur. Cette chute de vitesse obtenue grâce à une variation importante et quantifiée de la section du réacteur (rapport compris entre 1,2 et 2) a pour but d'améliorer la combustion grâce à une augmentation de la recirculation des matières solides en partie basse du réacteur. Ce troisième type de réacteur permet grâce à l'existence d'un échangeur de chaleur dans ce lit fluidisé dense interne de diminuer la puissance d'échange des panneaux internes du premier type de lit fluidisé circulant ou des échangeurs extérieurs du deuxième type de lit fluidisé circulant, mais il ne permet pas en général de les supprimer, pour des unités de grande puissance.
  • La présente invention concerne un réacteur à lit fluidisé circulant comportant une zone inférieure à lit fluidisé en circulation rapide munie d'une grille de fluidisation, de moyens d'injection d'air primaire en dessous de la grille et de moyens d'injection d'air secondaire au-dessus de la grille, les parois du réacteur entourant ladite zone inférieure étant munies de tubes de refroidissement, une zone supérieure à lit fluidisé en circulation rapide entourée par des parois du réacteur munies de tubes de refroidissement, des moyens d'introduction de combustible dans la zone inférieure, au moins un échangeur extérieur, comprenant un lit fluidisé dense accolé contre une paroi du réacteur, ledit lit étant alimenté en matières provenant du réacteur et rejetant ces matières dans la zone inférieure après échange de chaleur avec un fluide extérieur à réchauffer.
  • Une disposition d'échangeur accolé au réacteur est décrite dans le document EP-A-444926 qui correspond à une variante du deuxième type de réacteur.
  • Dans le réacteur selon cette variante l'échangeur extérieur est alimenté par un siphon précédé d'un cyclone séparant les matières solides évacuées en haut de la zone supérieure du réacteur. Cet échangeur extérieur disposé en dessous du cyclone et du siphon est accolé à la partie basse de la zone inférieure ce qui présente l'inconvénient d'empêcher l'injection d'air secondaire sur une des faces principales du réacteur, limitant ainsi la distance entre face avant et face arrière du réacteur, donc sa puissance pour une longueur de face arrière donnée.
  • Le réacteur selon l'invention ne présentant pas cet inconvénient est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un lit fluidisé dense interne installé à la partie supérieure de la zone inférieure sur une ou plusieurs faces du réacteur et permettant de recueillir d'une part les matières solides tombant le long des parois de la zone supérieure et d'autre part celles provenant de la chute de vitesse des gaz de fluidisation au passage du ou des lits fluidisés denses internes, le rapport de la section droite de la zone supérieure à celle de la zone inférieure au niveau du ou des lit(s) interne(s) étant compris entre 1,05 et 2 et en ce que le ou (les) échangeur(s) extérieur(s) est ou (sont) disposé(s) au dessus des arrivées d'air secondaire et est ou (sont) alimenté(s) en matières solides par le ou les lit(s) fluidisé(s) denses internes, le trop plein de matières solides de ce ou ces dernier(s) lit(s) étant déversé dans la zone inférieure.
  • De plus, de par sa conception, le réacteur selon l'invention peut facilement être de hauteur limitée.
  • La présente invention va maintenant être décrite plus en détail en se référant à un mode de réalisation particulier cité à titre d'exemple non limitatif et représenté par des dessins annexés.
  • La figure 1 représente schématiquement une vue de face du réacteur selon l'invention.
  • La figure 2 représente schématiquement une vue de dessus du réacteur de la figure 1.
  • La figure 3 représente schématiquement une vue de côté du réacteur de la figure 1.
  • La figure 4 représente schématiquement une vue verticale du réacteur de la figure 1, selon IV-IV de la figure 2.
  • La figure 5 représente schématiquement une vue agrandie et partielle du réacteur de la figure 1, selon V-V de la figure 2.
  • La figure 6 représente schématiquement une autre vue verticale partielle du réacteur de la figure 1, selon VI-VI de la figure 2.
  • Les figures 7A, 7B, 7C représentent schématiquement une variante du réacteur selon l'invention, respectivement une vue de côté, une vue de dessus et une vue de face.
  • Les figures 8A, 8B, 8C représentent schématiquement une deuxième variante du réacteur selon l'invention.
  • Les figures 9A, 9B, 9C représentent schématiquement une troisième variante du réacteur selon l'invention.
  • La figure 10 représente schématiquement une variante en vue de face d'un réacteur selon l'invention adapté à une grande puissance et comportant une zone inférieure divisée en deux parties.
  • La figure 11 représente schématiquement une vue de dessus du réacteur de la figure 10.
  • La figure 12 représente schématiquement une vue de côté du réacteur de la figure 10.
  • La figure 13 représente schématiquement une vue partielle agrandie du réacteur de la figure 10.
  • La figure 14 représente un schéma eau-vapeur de l'installation de laquelle fait partie le réacteur de la figure 10.
  • Le réacteur à lit fluidisé circulant, objet de l'invention, et destiné à la combustion de matières carbonées est représenté sur les figures 1 à 6.
  • Il comporte d'abord classiquement :
    • Une enveloppe tubulaire 1 divisée en deux zones: une zone supérieure 2 où les tubes 4 sont apparents intérieurement et refroidissent les matières solides et les gaz, et une zone inférieure 3 où les tubes 4 sont recouverts de réfractaire 5 pour les protéger de l'érosion.
    • Une conduite 6 située en haut de la zone supérieure 2 qui dirige les gaz chargés de matières solides vers un cyclone 7 où a lieu une séparation, les matières solides recueillies étant recyclées après passage dans un siphon 8 par une conduite 9 dans la zone inférieure 3 du réacteur.
    • Une ou plusieurs introductions du combustible 10.
    • Une grille de fluidisation 11 à travers laquelle est injecté l'air primaire introduit par une arrivée 12.
    • Plusieurs introductions d'air secondaire 13 à un ou plusieurs niveaux dans la partie basse 3 du réacteur.
    • Des échangeurs de récupération dans une enveloppe 14 parcouru par le gaz du cyclone 7.
    • Des réchauffeurs d'air 15, un dépoussiéreur 16 et une cheminée 17.
  • La caractéristique nouvelle de ce réacteur réside dans les échangeurs extérieurs participant au refroidissement des matières solides fluidisées en mouvement dans les gaz et fonctionnant dans les conditions suivantes:
    • a) Les matières solides qui parcourent ces échangeurs extérieurs 18, 19, 20, 21 sont prélevées sur la recirculation interne à un niveau intermédiaire du réacteur, en haut de la zone inférieure et non sur la recirculation externe des matières solides captées par le séparateur 7 installé à la sortie du réacteur.
    • b) Pour capter ces matières solides à un niveau intermédiaire du réacteur sont installés, comme indiqué sur la figure 4, deux lits fluidisés denses internes 22 et 23 en haut de la zone inférieure 3 divisant ainsi le réacteur en deux parties: la zone supérieure 2 de section S, et la zone inférieure 3 de section variable, mais dont la section maximum S' au niveau des deux lits fluidisés denses internes 22, 23 est inférieure à S. La quantité de matières solides recueillies dépendra de deux facteurs :
      • la longueur des parois contre lesquelles sont installés les lits fluidisés denses internes 22, 23, donc des faces latérales 24, 25 dans l'exemple représenté sur les figures 1, 2, 3 et 4,
      • la baisse rapide de vitesse des gaz de fluidisation correspondant au rapport S'/S des sections du réacteur, les vitesses des gaz de fluidisation dans ces deux sections S et S' restant toujours dans la gamme 2,5 à 12 m/s utilisée dans un lit fluidisé circulant.
        Les lits fluidisés denses internes 22, 23 ont un niveau 26, 27 qui se règle naturellement par débordement et déversement des matières solides vers la zone inférieure 3 du réacteur sur toute la longueur des parois internes 28, 29 des lits internes 22, 23 (fig.2). Ils sont équipés normalement de grilles de fluidisation 30 et 31 et des alimentations en gaz de fluidisation 32 et 33.
    • c) Pour être alimentés en matières solides par les lits fluidisés denses internes 22, 23, les quatre échangeurs extérieurs qui sont aussi des lits fluidisés denses 18, 19, 20, 21 (fig.2) sont installés contre les faces avant 34 et arrière 35 du réacteur. Ils sont équipés de grilles de fluidisation 36, 37 et ont des alimentations 38, 39 en air de fluidisation. Les niveaux 40, 41 des matières solides qui les parcourent sont réglés aussi par débordement et déversement vers la zone inférieure 3 du réacteur en 42, 43, 44, 45 (fig. 2 et 5) au voisinage des plans verticaux séparant les échangeurs 18 et 19 ou les échangeurs extérieurs 20 et 21 et à une valeur inférieure à celui des niveaux 26, 27 des lits fluidisés denses internes 22, 23 de façon à assurer une circulation des matières solides entre lits fluidisés denses internes 22, 23, échangeurs extérieurs 18, 19, 20, 21 et zone inférieure 3 du réacteur. La disposition relative entre le lit fluidisé dense interne 22, l'échangeur extérieur 18 et l'intérieur du réacteur est représentée sur les figures 5 et 6:
      • Le lit fluidisé dense interne 22 est en communication avec l'intérieur du réacteur par sa partie supérieure qui reçoit les matières solides tombant de la zone supérieure 2 du réacteur et les renvoie en partie par débordement vers la zone inférieure 3 tout le long et au dessus de la paroi de déversement 28.
      • L'échangeur extérieur 18 installé contre la paroi arrière 35 du réacteur est entièrement séparé du réacteur par cette paroi à l'exception d'une fenêtre 42 dont le niveau inférieur 40 règle la hauteur du lit fluidisé dense dans l'échangeur extérieur; les matières solides nécessaires au fonctionnement de l'échangeur 18 viennent du lit fluidisé dense interne 22 par la conduite 46 et retournent à la zone inférieure 3 du réacteur par débordement à travers la partie basse de la fenêtre 42. La section de la fenêtre 42 est aussi dimensionnée pour assurer une ventilation à travers l'échangeur extérieur 18. Dans celui-ci se trouve immergé un échangeur tubulaire 50 (fig.6) assurant une partie du refroidissement du réacteur. La force motrice nécessaire à la circulation des matières solides entre lit fluidisé dense interne et échangeur extérieur est la différence H entre les niveaux 26 et 40 des deux lits fluidisés denses 22 et 18 (fig.5 et 6); le débit de matières solides allant du lit fluidisé dense interne 22 à l'échangeur extérieur 18 passera par une conduite fluidisée 46 munie d'un moyen de réglage mécanique (type vanne pointeau) ou à injection d'air (dans ce dernier cas, le débit des matières solides sera réglé par la quantité d'air injecté). Cette conduite 46 peut utiliser un parcours extérieur aux deux lits fluidisés denses ou utiliser un orifice dans la paroi commune à ces deux lits fluidisés denses.
      • La disposition relative sera la même entre le lit fluidisé dense interne 22, l'échangeur extérieur 20 et l'intérieur du réacteur ou entre le lit fluidisé dense interne 23, les échangeurs extérieurs 19 ou 21 et l'intérieur du réacteur, les échangeurs extérieurs 19, 20, 21 étant alimentés par des conduites 47, 48, 49 a partir des lits denses internes 22, 23.
    • d) Les lits fluidisés denses internes 22 et 23 sont dimensionnés en tenant compte de plusieurs paramètres:
      • Leur largeur correspond au choix du rapport S/S' des deux sections internes du réacteur; en fait ce rapport sera fixé pour que le débit de matières solides tombant dans les lits fluidisés denses internes 22, 23 soit supérieur à celui qui va être utilisé dans les échangeurs extérieurs 18, 19, 20, 21. Dans ces conditions il y aura toujours un débit de matières solides qui retombera par débordement des lits fluidisés denses internes 22, 23 au dessus des parois 28 et 29 vers la zone inférieure 3 du réacteur. Ce rapport S/S' du réacteur de l'invention est compris entre 1,05 et 2.
      • Leur hauteur sera calculée en fonction du débit de matières solides nécessaire au fonctionnement des échangeurs extérieurs accolés 18, 19, 20, 21, ainsi que de la dénivellation H entre les niveaux supérieurs des lits fluidisés denses internes 22, 23 et ceux des lits fluidisés denses des échangeurs extérieurs 18, 19, 20, 21.
      • Les gaz de fluidisation des lits denses internes 22 et 23 devront être inertes, car ces derniers ne comportent aucun échangeur et il faut éviter tous les risques de combustion possible de matières carbonées susceptibles de provoquer des agglomérations; en conséquence, les gaz de fluidisation seront des gaz de combustion prélevés à la sortie des dépoussiéreurs 16 et correspondront à une quantité extrêmement faible de gaz recyclés.
    • e) Les échangeurs extérieurs 18, 19, 20, 21 accolés aux faces avant et arrière 34 et 35 du réacteur seront dimensionnés en fonction de l'échange de chaleur qu'ils ont à réaliser pour que le réacteur fonctionne à une température donnée choisie généralement à 850°C pour obtenir la meilleure désulfuration possible. Ces échangeurs extérieurs 18, 19, 20, 21 ont de ce fait une largeur et une hauteur nettement supérieures à celles des lits fluidisés denses internes 22, 23.

    Le réacteur décrit ci-dessus est donc finalement équipé de deux types de surfaces de refroidissement:
    • les parois tubulaires de la zone supérieure 2 du réacteur dont l'échange est fonction de la concentration en matières solides provenant de l'optimisation des paramètres de la combustion (débit d'air primaire et secondaire) et ne fait donc pas l'objet d'un réglage individuel.
    • Les quatre échangeurs extérieurs accolés 18, 19, 20, 21 dont l'échange est réglable individuellement par action sur les débits de matières solides qui les alimentent en 46, 47, 48, 49 et qui permettent de ce fait de régler la température de fonctionnement du réacteur à toutes les allures et éventuellement de régler en parallèle un échange avec un ou deux fluides extérieurs.
  • Il faut noter également que la disposition des lits fluidisés denses internes 22, 23 et des échangeurs extérieurs 18, 19, 20, 21 représentée sur les figures 1 à 6 peut varier. D'autres exemples non limitatifs faisant intervenir le nombre ou la situation relative de ces appareils sont représentés sur les figures 7, 8, 9.
  • Sur la figure 7, les lits fluidisés denses internes 22 et 23 et les échangeurs extérieurs 18, 19, 20, 21 sont sur les mêmes faces; sur la figure 8, les échangeurs extérieurs 18 et 19 sont installés sur une seule face latérale, les lits denses internes 22 et 23 étant toujours installés sur les faces avant et arrière; sur la figure 9, il n'y a qu'un échangeur extérieur 18 installé sur une face latérale et un lit dense interne 22 installé sur la face avant.
  • L'intérêt principal de ce nouveau réacteur à lit fluidisé circulant est de pouvoir installer grâce à la simplification des connections les échangeurs extérieurs 18, 19, 20, 21 à un niveau tel que la zone inférieure 3 du réacteur est libérée à la fois de ces échangeurs extérieurs 18, 19, 20, 21 et de leur liaison avec le réacteur et donc entièrement disponible pour concevoir et installer les circuits qui concernent la combustion (air primaire, air secondaire) et le retour de matières solides des cyclones 7 installés à la sortie du réacteur. Cette caractéristique permet l'extrapolation aux grandes puissances comme indiqué dans l'exemple ci-après.
  • Un réacteur à lit fluidisé circulant de grande puissance (300 Mégawatts électriques) est représenté sur les figures 10, 11, 12 et 13.
  • La puissance thermique échangée est d'environ 750 MW se décomposant en 450 MW pour l'échange avec les parois tubulaires internes du réacteur (125 MW) et les échangeurs extérieurs (325 MW), et 300 MW pour les échangeurs situés dans l'enveloppe 4 et les réchauffeurs d'air 15.
  • La zone inférieure 3 est divisée en deux parties 3A et 3B ce qui permet de diviser en deux la largeur entre les faces latérales 24 et 25. Or la largeur est un facteur limitatif de la pénétration des jets d'air secondaire 13 nécessaires à la réalisation d'une bonne combustion.
  • Les circuits d'air primaire 12, secondaire 13 et les retours 9 de matières solides des cyclones 7 sont disposés de façon optimale autour des parties basses 3A et 3B grâce à l'installation conformément aux principes exposés dans les paragraphes précédents de deux lits fluidisés denses internes 22 et 23 installés contre les parois latérales gauche et droite 24, 25 du réacteur et de quatre échangeurs extérieurs 18, 19, 20 et 21 accolés à l'extérieur du réacteur sur les faces avant et arrière 34, 35, alimentés en matières solides par des conduites fluidisées 46, 47, 48, 49.
  • Chacun des quatre échangeurs 18, 19, 20, 21 est divisé en deux (18A, 18B etc...) par une cloison médiane 50, 51, 52, 53, ouverte à sa partie supérieure pour permettre l'alimentation en matières solides de la partie aval par débordement.
  • Ainsi, comme représenté sur les figures 11 et 13, l'échangeur 18 est divisé en deux parties 18A et 18B, la partie 18A est alimentée à partir du lit fluidisé dense interne 22 par la conduite 46, la partie 18B est alimentée par débordement au-dessus de la cloison verticale 50 dont le niveau supérieur correspond à 40A (fig.13), les matières solides retombant dans la partie basse 3A du réacteur à travers la fenêtre 42 dont le niveau inférieur 40B fixe la hauteur du lit fluidisé de la partie 18B.
  • Les lits fluidisés denses internes 22 et 23 sont équipés de grilles de fluidisation 30, 31 à travers lesquelles sont soufflés les gaz inertes de fluidisation par des moyens 32, 33. Les échangeurs extérieurs tels que 18A, 18B, 20A, 20B, sont équipés de grilles de fluidisation telles que 36A, 36B, 37A, 37B à travers lesquelles sont soufflés des airs de fluidisation par des moyens tels que 38A, 38B, 39A, 39B etc...
  • A titre d'exemple on applique ce réacteur à lit fluidisé circulant de 300 MW électriques à une centrale thermique à vapeur sous-critique dont le schéma eau-vapeur est représenté sur la figure 14:
    • la salle des machines comprend une turbine à 3 corps haute pression (HP), moyenne pression (MP) et basse pression (BP), un condenseur C, recevant la vapeur basse pression du corps BP, une pompe d'extraction E, des réchauffeurs basse pression RBP recevant l'eau extraite par la pompe E, un dégazeur D, des pompes alimentaires PA, des réchauffeurs haute pression RHP.
    • La chaudière à lit fluidisé circulant comprend un économiseur 55 alimenté en eau à partir des réchauffeurs haute pression RHP, deux évaporateurs fonctionnant en parallèle 56 et 57, un surchauffeur basse température 58, un surchauffeur moyenne température 59 et un surchauffeur haute température 60, un resurchauffeur basse température 61 et un resurchauffeur haute température 62. Le surchauffeur haute température 60 fournit de la vapeur haute pression au corps HP. Ce dernier envoie de la vapeur dans les resurchauffeurs 61 et 62 qui fournissent de la vapeur moyenne pression au corps MP.
  • Sur la figure 10 sont représentées les positions de l'évaporateur 56 constitué par les tubes 4 disposés comme représenté sur la figure 1, sur les parois internes du réacteur et celles du surchauffeur haute température 60, du resurchauffeur basse température 61 et de l'économiseur 55 dans l'enveloppe 14.
  • La figure 11 montre la disposition des appareils dans les échangeurs extérieurs 18,19, 20, 21 accolés à hauteur intermédiaire du réacteur : les surchauffeurs moyenne température 59 et évaporateurs 57 respectivement dans les échangeurs extérieurs 20A et 21A, 20B et 21B, les resurchauffeurs haute température 62 et surchauffeurs basse température 58 respectivement dans les échangeurs extérieurs 18A et 19A, 18B et 19B.
  • L'échange thermique entre matières solides et vapeur dans les échangeurs extérieurs 20 et 21 permet de régler la température du réacteur à 850°C par exemple. L'échange thermique entre matières solides et vapeur dans les échangeurs 18 et 19 permet de régler la température de vapeur resurchauffée à la valeur de consigne choisie, 565°C par exemple.
  • La figure 10 montre clairement que toute la zone inférieure du réacteur est divisée en deux parties dont chacune peut être équipée, sans aucune contrainte due aux échangeurs extérieurs, de ses circuits de combustion, notamment de deux ou plusieurs niveaux d'air secondaire sur ses huit faces et des retours des quatre cyclones, sur ses faces latérales.
  • En fait, chaque partie inférieure 3A ou 3B correspond à un réacteur à lit fluidisé circulant de 150 Mégawatts électriques.
  • L'exemple ci-dessus correspond à une puissance de 300 Mégawatts électriques mais un réacteur selon l'invention peut être réalisé pour une puissance supérieure par exemple 600 Mégawatts électriques en augmentant la longueur des faces latérales et la surface des échangeurs extérieurs sur les faces avant et arrière.

Claims (3)

1/ Réacteur à lit fluidisé circulant comportant une zone inférieure (3) à lit fluidisé en circulation rapide munie d'une grille de fluidisation (11), de moyens d'arrivée d'air primaire (12) en dessous de la grille (11), et de moyens d'injection d'air secondaire (13) au-dessus de la grille (11), les parois du réacteur entourant ladite zone inférieure (3) étant munies de tubes de refroidissement (4), une zone supérieure (2) à lit fluidisé en circulation rapide entourée par des parois du réacteur munies de tubes de refroidissement (4), des moyens d'introduction de combustible (10) dans la zone inférieure (3), au moins un échangeur extérieur (18, 19, 20, 21) comprenant un lit fluidisé dense accolé contre une paroi du réacteur (1), ledit lit étant alimenté en matières solides provenant du réacteur et rejetant ces matières dans la zone inférieure (3) après échange de chaleur avec un fluide extérieur à réchauffer,
caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs lits fluidisés denses internes (22, 23) installés à la partie supérieure de la zone inférieure (3) sur une ou plusieurs faces du réacteur (1) et permettant de recueillir d'une part les matières solides tombant le long des parois de la zone supérieure (2) et d'autre part celles provenant de la chute de vitesse des gaz de fluidisation au passage du ou des lits fluidisés denses internes (22, 23), le rapport (S/S') de la section droite (S) de la zone supérieure (2) à celle (S') de la zone inférieure (3) au niveau du ou des lits internes (22, 23) étant compris entre 1,05 et 2 et en ce que le ou les échangeurs extérieurs (18, 19, 20, 21) sont disposés au dessus des arrivées d'air secondaire (13) et des retours (9) et sont alimentés en matières solides par le ou les lits fluidisés denses internes (22, 23), le trop plein de matières solides de ce ou ces derniers lits (22, 23) étant déversé dans la zone inférieure (3).
2/ Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que certains des échangeurs extérieurs (20, 21) servent à régler la température de fonctionnement du réacteur.
3/ Réacteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que certains des échangeurs extérieurs (18, 19) servent à régler la température ou des vapeur(s) resurchauffée(s) dans une chaudière de centrale thermique.
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