EP0898115A1 - Chaudière à lit fluidisé dense externe - Google Patents

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EP0898115A1 EP98402063A EP98402063A EP0898115A1 EP 0898115 A1 EP0898115 A1 EP 0898115A1 EP 98402063 A EP98402063 A EP 98402063A EP 98402063 A EP98402063 A EP 98402063A EP 0898115 A1 EP0898115 A1 EP 0898115A1
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drum
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Jean-Claude Semedard
Pierre Gauville
Christian Enault
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General Electric Technology GmbH
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GEC Alsthom Stein Industrie
Alstom Energy Systems SA
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D13/00—Heat-exchange apparatus using a fluidised bed

Definitions

  • the present invention relates to a boiler comprising an evaporator immersed in a dense fluidized bed external.
  • This heat exchanger commonly takes the form of a bundle of tubes and the circulation of the fluid can be natural or assisted by one or more pumps.
  • the height of the fluidized bed is limited by the pressure of fluidization and also by the stability of the fluidization. We admit that this height can hardly exceed 4 meters and, in any case, it does not seem possible to foresee a height greater than 5 meters.
  • the speed in these tubes must be suitable to avoid the appearance of DNB ("Departure from Nucleate Boiling" for critical heating) and to also avoid stratified flow, i.e. the appearance of a liquid vapor interface.
  • DNB Departure from Nucleate Boiling
  • a flow of this type generates phenomena of tube overheating, thermal shock and corrosion.
  • the tubes To reach the required speed, the tubes must have a large section and large clearance heights at their ends higher.
  • the hot particles are not present in quantity sufficient so that, the vaporization being weak, the speed in the tubes is insufficient and there is a risk appearance of DNB.
  • assisted circulation heat exchangers allow overcome the difficulties encountered with exchangers with natural circulation.
  • the assistance pumps are expensive and there is a risk of failure, which is detrimental to the availability of the boiler.
  • the present invention thus relates to a boiler provided with a dense external fluidized bed of a design simple and very reliable.
  • this boiler comprises a hearth with circulating fluidized bed, a gas separation member and solids extracted from this hearth, a dense fluidized bed external between the solids outlet of the separator and the base of the fireplace, this external bed comprising a first heat exchanger in which a fluid circulates coolant to evaporate, and, in addition, the outlet of this first exchanger is connected to a second exchanger thermal placed in the hearth.
  • This second heat exchanger increases substantially the speed of circulation in the tubes of the first heat exchanger. So even if this one works in natural circulation, the tubes which make up can be arranged horizontally without risk for installation.
  • the first heat exchanger is consisting of a bundle of tubes.
  • these tubes are horizontal.
  • these tubes are provided with at least one helical groove.
  • the second exchanger is an integral part of a wall of the foyer.
  • the second heat exchanger is immersed in the hearth.
  • the invention is of particular interest when the hearth is a circulating fluidized bed comprising membranes internal welded to the cased walls of this hearth, these membranes being called screen extensions.
  • the second heat exchanger is arranged in an extension of this foyer.
  • This boiler therefore comprises a hearth 1 in which the combustion of solid particles is maintained.
  • This hearth 1 is connected in its upper part to a separation 2 by an extraction pipe 12 which conveys combustion gases and recirculated particles.
  • the separation member 2 evacuates the gases in an evacuation pipe 20 taking birth at its top and the particles in a recycling line 23 which opens into a fluidized bed dense external 3.
  • This recycling line is generally provided with a siphon and ducts.
  • the bed external is provided with a first heat exchanger 3A which here takes the form of a bundle of tubes arranged in coils in vertical planes, so that sections of elongated tubes are horizontal from preference.
  • This first exchanger 3A is supplied with fluid coolant to evaporate, for example water, inlet pipe 39.
  • the outlet 30 of this exchanger 3 is connected to a second heat exchanger 3B which is at household contact 1.
  • a first embodiment of this second exchanger 3B shown in Figures 1 and 2 applies when the wall of the upper body of the hearth is made by a set of vertical pipes 1A secured between them.
  • one of these pipes constitutes the second 3B exchanger connected at its lower end to the outlet 30 of the first exchanger 3A.
  • the first exchanger 3A has a single outlet.
  • the second exchanger 3B is an evaporator arranged at inside this foyer.
  • the invention therefore applies to boilers whose 1 cased hearth is provided with a circulating fluidized bed. It is so common to provide at least one screen extension welded on the inside of the hearth wall. This extension screen is itself formed of vertical pipes secured between them.
  • the second heat exchanger 3B is constituted by one of the pipes the screen extension which is connected at its end lower than the outlet 30 of the first exchanger 3A.
  • the performance of the first 3A exchanger when the tube or tubes which constitute are grooved tubes ("rifled” in English), that is to say that they have on their internal surfaces one or more helical grooves. Indeed, due to centrifugal force, the vapor phase of the emulsion will concentrate towards the inside of the tubes, which repels the appearance of DNB.
  • the invention is intended for a first natural circulation exchanger.
  • the invention reduces the power of the or assistance pumps and therefore reduce the cost and power consumption accordingly.

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Abstract

La présente invention concerne une chaudière comportant un foyer (1) à lit fluidisé circulant, un organe de séparation (2) des gaz et des solides extraits de ce foyer, un lit fluidisé dense externe (3) entre la sortie solides (23) de cet organe de séparation (2) et la base du foyer (1), ce lit externe comprenant un premier échangeur thermique (3A) dans lequel circule un fluide caloporteur à évaporer. La sortie (30) de ce premier échangeur est raccordée à un deuxième échangeur thermique (3B) placé dans le foyer (1). <IMAGE>

Description

La présente invention concerne une chaudière comportant un évaporateur immergé dans un lit fluidisé dense externe.
Une telle chaudière comporte, entre autres, les éléments suivants :
  • un foyer à lit fluidisé circulant dont les parois comprennent des tuyaux verticaux dans lesquels circule une émulsion (phase liquide et phase vapeur) d'eau produite par évaporation de l'eau qui est introduite à la base de ces tuyaux ;
  • un organe de séparation, généralement un cyclone, qui récupère en haut du foyer pour les diriger dans deux conduites distinctes les gaz de combustion et les particules de solides fluidisés dans ce foyer ;
  • un lit fluidisé dense externe raccordé d'une part à la conduite particules de l'organe de séparation et d'autre part à la base du foyer, ce lit externe comprenant un échangeur thermique qui transmet la chaleur des particules au fluide caloporteur à évaporer qui est souvent de l'eau.
Cet échangeur thermique prend couramment la forme d'un faisceau de tubes et la circulation du fluide peut être naturelle ou assistée par une ou plusieurs pompes.
Les échangeurs à circulation naturelle posent des difficultés de réalisation. En premier lieu, pour fonctionner avec des taux de circulation raisonnables, ils imposent une disposition inclinée des tubes, ce qui augmente la hauteur de l'échangeur par rapport à une solution dans laquelle les tubes sont horizontaux si l'on veut conserver sensiblement la même surface d'échange. Cependant, la hauteur du lit fluidisé est limitée par la pression de fluidisation et aussi par la stabilité de la fluidisation. On admet que cette hauteur ne peut guère dépasser 4 mètres et, en tout cas, il ne semble pas envisageable de prévoir une hauteur supérieure à 5 mètres. En second lieu, la vitesse dans ces tubes doit être convenable pour éviter l'apparition du DNB ("Departure from Nucleate Boiling" pour échauffement critique) et pour éviter également un écoulement stratifié, c'est à dire l'apparition d'une interface liquide vapeur. Un écoulement de ce type engendre des phénomènes de surchauffe des tubes, de chocs thermiques et de corrosion. Pour atteindre la vitesse requise, les tubes doivent présenter une section importante et des grandes hauteurs de dégagement à leurs extrémités supérieures. De plus, lors des phases de démarrage, les particules chaudes ne sont pas présentes en quantité suffisante si bien que, la vaporisation étant faible, la vitesse dans les tubes est insuffisante et il y a un risque d'apparition du DNB.
Les échangeurs à circulation assistée permettent de s'affranchir des difficultés rencontrées avec les échangeurs à circulation naturelle. Cependant, les pompes d'assistance sont coûteuses et elles présentent un risque de panne, ce qui est préjudiciable à la disponibilité de la chaudière.
La présente invention a ainsi pour objet une chaudière pourvue d'un lit fluidisé dense externe d'une conception simple et d'une grande fiabilité.
Selon l'invention, cette chaudière comporte un foyer à lit fluidisé circulant, un organe de séparation des gaz et des solides extraits de ce foyer, un lit fluidisé dense externe entre la sortie solides de l'organe de séparation et la base du foyer, ce lit externe comprenant un premier échangeur thermique dans lequel circule un fluide caloporteur à évaporer, et, de plus, la sortie de ce premier échangeur est raccordée à un deuxième échangeur thermique placé dans le foyer.
Ce deuxième échangeur thermique permet d'augmenter sensiblement la vitesse de circulation dans les tubes du premier échangeur thermique. Ainsi, même si celui-ci fonctionne en circulation naturelle, les tubes qui le composent peuvent être disposés horizontalement sans risque pour l'installation.
Avantageusement, le premier échangeur thermique est constitué d'un faisceau de tubes.
De préférence, ces tubes sont horizontaux.
Par ailleurs, ces tubes sont pourvus d'au moins une rainure hélicoïdale.
Ainsi, on peut réduire la vitesse de circulation pour éviter l'apparition du DNB dans les tubes.
Selon un premier mode de réalisation de la chaudière, le deuxième échangeur fait partie intégrante d'une paroi du foyer.
Selon un deuxième mode de réalisation, le deuxième échangeur thermique est immergé dans le foyer.
L'invention présente un intérêt particulier lorsque le foyer est un lit fluidisé circulant comportant des membranes internes soudées aux parois tubées de ce foyer, ces membranes étant dénommées extensions d'écrans.
Ainsi, selon un troisième mode de réalisation, le deuxième échangeur thermique est disposé dans une extension d'écran de ce foyer.
L'invention apparaítra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'exemples de chaudières donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées qui représentent :
  • La figure 1, un schéma d'une chaudière selon l'invention,
  • La figure 2, une vue en coupe horizontale d'un premier mode de réalisation,
  • La figure 3, une vue en coupe verticale d'un deuxième mode de réalisation, et
  • La figure 4, une vue en coupe horizontale d'un troisième mode de réalisation.
Les éléments présents dans différentes figures sont affectés d'une seule et même référence.
Dans la figure 1, on a représenté les seuls éléments de la chaudière qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention.
Cette chaudière comprend donc un foyer 1 dans lequel est entretenue la combustion des particules de solides. Ce foyer 1 est relié dans sa partie supérieure à un organe de séparation 2 par une conduite d'extraction 12 qui véhicule les gaz de combustion et les particules recirculées.
L'organe de séparation 2, un cyclone par exemple, évacue les gaz dans une conduite d'évacuation 20 prenant naissance à sa partie supérieure et les particules dans une conduite de recyclage 23 qui débouche dans un lit fluidisé dense externe 3. Cette conduite de recyclage est généralement pourvue d'un siphon et de gaines. Le lit externe est pourvu d'un premier échangeur thermique 3A qui prend ici la forme d'un faisceau de tubes disposés en serpentins dans des plans verticaux, de sorte que les sections de tubes longilignes soient horizontales de préférence. Ce premier échangeur 3A est alimenté en fluide caloporteur à évaporer, de l'eau par exemple, par une conduite d'entrée 39. La sortie 30 de cet échangeur 3 est raccordée à un deuxième échangeur thermique 3B qui est au contact du foyer 1.
Un premier mode de réalisation de ce deuxième échangeur 3B représenté dans les figures 1 et 2 s'applique lorsque la paroi du corps supérieur du foyer est réalisée par un ensemble de tuyaux verticaux 1A solidarisés entre eux. En ce cas, un de ces tuyaux constitue le deuxième échangeur 3B raccordé à son extrémité inférieure à la sortie 30 du premier échangeur 3A. On remarque qu'ici le premier échangeur 3A comporte une seule sortie. Naturellement, s'il s'agit d'un faisceau de tubes, on peut prévoir autant de tuyaux 1A dans le deuxième échangeur 3B que le faisceau comporte de tubes.
Selon un deuxième mode de réalisation représenté dans la figure 3, quelle que soit la nature de la paroi du foyer, le deuxième échangeur 3B est un évaporateur disposé à l'intérieur de ce foyer.
L'invention s'applique donc aux chaudières dont le foyer 1 tubé est pourvu d'un lit fluidisé circulant. Il est alors courant de prévoir au moins une extension d'écran soudée sur l'intérieur de la paroi du foyer. Cette extension d'écran est elle même formée de tuyaux verticaux solidarisés entre eux.
Ainsi, selon un troisième mode de réalisation, le deuxième échangeur 3B est constitué par un des tuyaux de l'extension d'écran qui est raccordé à son extrémité inférieure à la sortie 30 du premier échangeur 3A.
Par ailleurs, on améliore encore les performances du premier échangeur 3A lorsque le ou les tubes qui le constituent sont des tubes rainurés ("rifled" en anglais), c'est à dire qu'il comportent sur leurs surfaces internes une ou plusieurs rainures hélicoïdales. En effet, du fait de la force centrifuge, la phase vapeur de l'émulsion va se concentrer vers l'intérieur des tubes, ce qui repousse l'apparition du DNB.
Naturellement, l'invention est prévue pour un premier échangeur à circulation naturelle. Cependant, si l'on prévoit un échangeur à circulation assistée, l'invention permet de réduire très sensiblement la puissance de la ou des pompes d'assistance et donc de diminuer le coût et la consommation électrique en conséquence.
Les modes de réalisation ci-dessus sont donnés à titre d'exemple et l'homme de métier comprend bien que l'invention peut être mise en oeuvre de bien des manières différentes, ne serait ce qu'en remplaçant un moyen par un moyen équivalent.

Claims (8)

  1. Chaudière comportant un foyer (1) à lit fluidisé circulant, un organe de séparation (2) des gaz et des solides extraits de ce foyer, un lit fluidisé dense externe (3) entre la sortie solides (23) dudit organe de séparation (2) et la base dudit foyer (1), ce lit externe comprenant un premier échangeur thermique (3A) dans lequel circule un fluide caloporteur à évaporer, caractérisé en ce que la sortie (30) de ce premier échangeur (3A) est raccordée à un deuxième échangeur thermique (3B) placé dans le foyer (1).
  2. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit premier échangeur thermique (3A) fonctionne en circulation naturelle.
  3. Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit premier échangeur thermique (3A) est constitué d'un faisceau de tubes.
  4. Chaudière selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits tubes sont horizontaux.
  5. Chaudière selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits tubes sont pourvus d'au moins une rainure hélicoïdale.
  6. Chaudière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit deuxième échangeur (3B) fait partie intégrante d'une paroi dudit foyer (1).
  7. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit deuxième échangeur thermique (3B) est immergé dans ledit foyer (1).
  8. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit deuxième échangeur thermique (3B) est disposé dans une extension d'écran (1B) dudit lit fluidisé circulant.
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