EP2370200A1 - Dispositif de lit fluidise a fluidisation rapide et a flux sature de solides circulants - Google Patents

Dispositif de lit fluidise a fluidisation rapide et a flux sature de solides circulants

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EP2370200A1
EP2370200A1 EP09756033A EP09756033A EP2370200A1 EP 2370200 A1 EP2370200 A1 EP 2370200A1 EP 09756033 A EP09756033 A EP 09756033A EP 09756033 A EP09756033 A EP 09756033A EP 2370200 A1 EP2370200 A1 EP 2370200A1
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reactor
solids
cyclone
fluidized bed
enclosure
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Jean-Xavier Morin
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Definitions

  • the invention relates to a circulating fluidized circulating fluidized bed device with fast fluidization and saturated flow of circulating solids.
  • a circulating fluidized bed device has a circulating loop configuration of solids associating a reactor, a cyclone, a solids return, exchangers and a set of operating parameters in terms of gas velocity in empty casks, circulating granulometry and flow rate. solid.
  • EP 0 147 445 discloses a circulating fluidized bed device with fast fluidization. If with a multi-solid device as described in this document, the fluidization velocity reaches relatively high values, the pressure drop in the flow zone of solids out dense bed is relatively low. The concentration of the flow of circulating solids is therefore relatively low.
  • the neighboring enriched air combustion technology reduces the flue gas flow rate and possibly boosts the power of an existing installation or the combustion temperature for ores to be calcined, but there remains a nitrogen content in the flue gas fumes. carbon dioxide and water that is to be treated downstream if only carbon dioxide is to be produced for final storage after condensation of the water vapor.
  • the technical problem is to obtain the complete conversion of the carbonaceous substances and to circulate enough oxygen-carrying solids. at much higher fluxes than those obtained by conventional circulating fluidized bed technology.
  • the known circulating fluidized bed reactor designs generate an annular flow structure which is generally upwardly axial, i.e. with a higher velocity gaseous upflow gas core loaded with finer solids and an downward axial annular flow with coarser solids.
  • This structure results from the lack of interaction between these two concentric flows in opposite directions.
  • This annular structure is detrimental to the homogeneity of the radial temperatures and to the transfer of mass and heat between the gases and the different types of solids present in the loop of the circulating fluidized bed.
  • the invention solves this problem and proposes a reactor with strong internal mixing, minimizing the inventory in solids thanks to a concentration profile almost homogeneous over its height, and a circulating fluidized bed device comprising such a reactor which makes it possible to achieve external circulation rate in solids three to five times higher than conventional circulating fluidized bed technology, while lowering the cost of equipment by improved compactness.
  • the amount of bed may be of a high cost as in the case of certain metal oxides for example and the amount of bed to renew in the case of a quick deactivation.
  • the invention proposes a reactor for a fast fluidized bed comprising a substantially cylindrical enclosure, an upper part for connection to the inlet of a solids separation cyclone and a bottom part for connection to a solids outlet pipe. of said cyclone, reactor characterized in that said enclosure is flared, inclined walls, its lower section being in the upper part.
  • the invention also relates to a fast fluidized bed device comprising a reactor as specified above, a cyclone for separating the solids leaving the reactor, a pipe for returning solids to the reactor at the solids outlet of said cyclone, and exchangers associated with the flue gas circuit at the outlet of said cyclone.
  • the invention relates to a method for implementing such a circulating fluidized bed device, characterized in that a fuel and / or a reaction medium with a particle size of less than 100 microns for 90% of its quantity is injected into said reactor.
  • the invention relates to a method of implementing such a circulating fluidized bed device, characterized by the same axial gas between 7 and 9 m / s in said reactor and in said cyclone.
  • Figure 1 is a vertical sectional view of a fast fluidized bed device according to the invention.
  • Figure IA is a detailed sectional view of the reactor.
  • Figure 2 is a partial perspective view of a circulating fluidized bed device according to the invention.
  • Figure 3 is a partial vertical sectional view of a circulating fluidized bed device according to the invention.
  • Figure 4 is a vertical sectional view of a circulating fluidized bed device according to the invention, according to another embodiment, particularly under pressure.
  • Figures 5 and 6 are partial sectional views of a reactor according to the invention.
  • Figure 7 is a half sectional view of another embodiment of a reactor according to the invention.
  • Figure 8 is a top view of a set of reactors according to the invention.
  • Figures 9 and 10 are views in vertical and horizontal section of an alternative embodiment.
  • Figure 11 is a vertical sectional view of an alternative embodiment.
  • Figures 12 and 13 each show an installation according to the invention.
  • Figures 14A to 14C show a vertical sectional detail, in front view and in horizontal sectional view, according to a first embodiment.
  • FIG. 15 represents a detail in vertical section, according to a second variant embodiment.
  • Figures 16A to 16C show a vertical sectional detail, in front view and in horizontal sectional view, according to a third embodiment.
  • FIG. 1 represents a fast fluidized bed device, comprising a reactor 1, a pipe 6 connecting a cyclone 2 for separating the solids at the outlet of this reactor, comprising a top wall 2A called a ceiling, a solid return pipe 4 to the reactor at the outlet of solids of cyclone 2 and exchangers 5 associated with the flue gas circuit at the outlet of cyclone 2.
  • the walls of the reactor, ducts and cyclone are preferably cased walls, covered with refractory but may be made of sheet metal with refractory lining thick.
  • a pipe 6 connects the reactor 1 to the cyclone 2 at the top and opens into the ceiling 2A of the cyclone.
  • this duct 6 is substantially axial to the reactor 1 in a first section 6A in the upper part of the reactor, with upwardly directed flow aligned with the vertical axis of symmetry of the reactor. reactor or parallel to it.
  • This first section 6A where a solids and gas velocity of 25 to 35 m / s can be obtained at the outlet of this section 6A, is connected to the reactor 1 by a frustoconical part of acceleration IA forming the ceiling of the reactor, inclined from 15 to 60 ° with respect to a horizontal plane.
  • This ceiling IA may be circular or square section.
  • An inlet transverse deflector 6C is disposed near the inlet of the first section 6A of the pipe 6 connecting the reactor and the cyclone. This deflector 6C accelerates and concentrates the diluted solids in a concentrated layer.
  • This first deflector 6C is followed by a second directional deflector 6D which allows to concentrate the solids again.
  • This first section 6A comprises at its inlet a restriction skirt section 7, providing a section of 3 to 7 times less than the cross section of the reactor 1, where air or reactive fluid can be injected at a speed of 80 at 150 m / s to allow the control of the external circulation of solids at the desired level by the operating load of the installation and therefore by the residence time of the solids in the conversion zones of two interconnected reactors, for example.
  • This skirt 7 is therefore flared in shape, of lower horizontal section at its lower end and advantageously comprises fluidization injections at this lower end and expansion joints near its upper end.
  • This pipe 6 is inclined in a last section 6B in the upper part of the cyclone, flow directed downwards, the inclination being at least 35 ° relative to a horizontal plane. This inclination of 35 ° can be reduced to 20 ° if this section has auxiliary fluidizations. Thus, a dense phase flow is obtained at the bottom of this last section 6B and a mass gravity flow of the solids is favored.
  • this first section 6A and this last section 6B are connected by an intermediate section 6E of horizontal direction but with an inclined lower bottom providing a flow angle of at least 20 °.
  • the pipe 6 opens into the ceiling 2A of the cyclone near the periphery of the latter by a slot 3 in an arc of a constant width.
  • the outer peripheral edge of this slot 3 is arranged in continuity with the cylindrical wall of the cyclone 2, in order not to reduce the speed of the solids and contributes to an optimal gas / solids separation efficiency in the cyclone.
  • Cyclone 2 has a side smoke outlet 2B, its lower cone, or central 2B ', its ceiling, bringing these fumes to the heat exchangers 5.
  • a horizontal heat recovery boiler, posed, can be installed, As illustrated in FIG. 1.
  • the cyclone is provided with an internal cylindrical skirt 2 B "which faces the end of the outlet 2 B with a distance between them. of this skirt 2B "is to prevent a direct passage of the circulating solids to the outlet 2B.
  • the solids return line 4 at the exit of the cyclone is frustoconical at least on its lower part, flared by an overall angle ⁇ of 5 to 10 °, its section increasing downstream of the outlet of the cyclone towards its lower end. Its lower end is connected to a U-shaped device 8 with rounded internal angles. As a variant shown in FIG. 3, this device 8 may be U-shaped at angles formed by faces 8A inclined by 45 °. This return sheath solids 4 can be vertical or inclined at most
  • This line 4 may comprise a bypass 8B to an adjacent reactor and means for introducing by gravity 8A fuels and / or fresh reaction solids. It may also include fluid injections walls and perforated 4A ventilation rods located in the heart of the flow to lubricate the walls and reduce friction coefficients.
  • the U-shaped device 8 ensures a blockage of the direct passage of gas from the bottom of the reactor 1 at higher pressure to the return line of the solids 4. It comprises a supply 8A by gravity fuel and / or solid reaction media. Its uphill part has a height h, including value between the value of its diameter and three times this diameter value, in order to minimize the pressure losses.
  • Figures 9 to 11 show alternative embodiments of this U-shaped device and the return of the solids to the (s) reactor (s).
  • Figures 9 and 10 show an embodiment of multiple returns of solids to several reactors.
  • the return sheath of solids 4 at the outlet of cyclone 2 opens into an enclosure 18 provided on its bottom bottom of fluidization injection and carrying on its upper part four downwardly inclined pipes and two of which 19, 20 can be connected to the reactor 1, one of which can be connected to another reactor and one of which can be connected to an exchanger.
  • the arrangement of U previously described here is shaped three-dimensionally around the return sheath 4.
  • FIG. 11 shows an arrangement of U 28 connected to the lower part 12 of the reactor 1. It is then a part of the reactor wall that forms the U. This arrangement comprises fluidization injections 29 on its lower bottom.
  • the lower part of the reactor 1 has an inclined wall provided with primary fluidization injections 30.
  • such a fast fluidized bed device can be pressurized, by a moderate pressurization of the order of 6 to 10 bar, the cased walls then being completed by a second metal enclosure external resistant to internal pressure.
  • the connecting pipe 6 'of the reactor 1' and cyclone 5 'then only has a first axial portion 6'A, at the top of the reactor, with upwardly directed flow and a last section 6'b inclined at the top. cyclone, downwardly directed flow, the inclination being at least 20 ° with respect to a horizontal plane.
  • a reactor 1 for a fast fluidized bed comprises a substantially cylindrical enclosure 10 for pressure applications, of polyhedral section, preferably square or rectangular, a top 11 of connection to the the inlet of the solids separation cyclone 2 and a lower part 12 for connection to the cyclone solids output pipe 4 of corresponding shape.
  • the enclosure 10 is flared, inclined walls, its lower section being in the upper part.
  • the walls of the enclosure are inclined at an angle of between 5 and 20 ° with respect to a vertical straight line, and advantageously equal to 5 °.
  • this inclination is not visible in the overall figures but is illustrated in the detail view IA where is represented the angle ⁇ of inclination with respect to a vertical line and between 5 and 20 °.
  • the enclosure 10 comprises re-mixing profiles 13 in the form of ribs, internal annular of constant section, for example trapezoidal, distributed over at least a part of its height and preferably, as shown, over the entire height of the pregnant.
  • ribs 13 have dimensions dependent on the dimensions of the reactor and have a thickness of between 50 and 400 mm and are spaced from each other by a distance of 1 to 4 m.
  • these ribs 13 have the function of separating the downward axial annular flow layer of solids which is formed in the upper part of the reactor and deflecting it towards the central upward gas flow core. at high speed loaded in finer solids.
  • a homogeneity of the radial temperatures between the center and the annular periphery of the flow and an optimal transfer of mass and heat between the gases and the different types of solids present in the reactor are obtained.
  • Three embodiments of the re-mixing ribs are shown in FIGS. 14 to 16.
  • FIGS. 14A to 14C show cased ribs 102 which are created by tubes deported at a certain periodicity, for example every other tube, from a wall formed of common tubes 101 and welded fins 100. These ribs are coated with a refractory lining 103.
  • Figure 15 shows ribs on anchors 106 welded to a wall consisting of common tubes 101 and welded fins 100, on which is cast or tamped a refractory lining 103 which gives the desired geometry.
  • FIGS. 16A to 16C show ribs on perforated horizontal metal shelves 104 supported by vertical stiffenesses 105 periodically welded to a wall consisting of common tubes 101 and welded fins 100.
  • a refractory lining 103 provides the desired geometry.
  • the lower part 12 of the reactor shown in FIG. 6, has an inlet 14 that is substantially axial, that is to say aligned with the vertical symmetry axis of the reactor, with frustoconical, multi-frustoconical or conical shaped solids.
  • inlet 14 that is substantially axial, that is to say aligned with the vertical symmetry axis of the reactor, with frustoconical, multi-frustoconical or conical shaped solids.
  • the reactor 1 may therefore be devoid of multiple nozzle fluidization grid, which is a complex and expensive investment component, subject to plugging and erosion.
  • the reactor 1 comprises injections 15 of fluidization means on three to five levels in walls of the enclosure 10 and the lower part 12.
  • This lower part also has at least one gravity inlet
  • This gravity inlet can be equipped with a concentric axial injection of gas to form a gas screen and avoid collages to the walls.
  • the injections in fluidization means 15, 15 ' make it possible to precisely control the velocity profile of the gases in the primary zone of acceleration of the solids formed by the lower part 12 of the reactor. This acceleration is essential to reach an appropriate flow rate of solids circulating in the loop and to carry out the desired reactions in the reactor 1.
  • These injections of fluidization means also make it possible to control the local gaseous atmospheres, for example to ensure the release of the fuel nitrogen fuel at the bottom of the reactor, thanks to the pyrolysis created by the heat input of hot incoming solids and thus reduce the nitrogen oxides in combustion air or oxygen.
  • the reactor 1 may contain at least one integrated bed 14 ', as shown in FIG. 7, which can be installed on one or more faces of the reactor. Secondary air supplies 15 may be adjusted to promote solids filling of this bed 14 '.
  • Such an integrated bed can operate in a fluidized bed or in a moving bed and makes it possible to control the inventory in circulation for a given global inventory and to control the flow of solids in external circulation to another reactor.
  • This integrated bed 14 ' may comprise a line 14A to another reactor and can act as a carbon and sulfur barrier between two interconnected reactors.
  • a method of implementing such a fast fluidized bed device consists of injecting into the reactor 1 a fuel and / or a reaction support, depending on the application, with a particle size of less than 100 microns for 90% of its quantity and injecting a fluidization gas at the bottom of the reactor 1, at a speed of the order of 10 to 40 m / s at the bottom of the reactor 1, the gas velocity being between 7 and 9 m / s in reactor 1 and in cyclone 2.
  • the concentration of solids where said pipe 6, 6 'opens into said ceiling 2A, 2'A of the cyclone between 20 and 60 kg / Nm 3 at full load.
  • the circulating fluidized bed device according to the invention has the optimum characteristics to ensure rapid fluidization and a saturated flow of circulating solids.
  • connection pipe of the reactor and the cyclone which is classically horizontal and connects laterally to the reactor and the cyclone, as described in patent document EP 0 147 445
  • the pipe 6 according to the invention has a absence of horizontal section, connecting the first section 6A and the last section 6B, and therefore causes a minimum of loss of speed and kinetic energy and avoids any accumulation of solids which would disturb the flow, while ensuring a peripheral entry into the cyclone, optimally directed for separation of solids and fumes.
  • This link pipe arrangement also makes it possible to substantially lower the height of cyclone 2 relative to the ceiling of reactor 1 and thus to reduce the overall height of the installation and the supporting frameworks and thus substantially improve the compactness and reduce investment costs.
  • the cyclone solids outlet pipe which is conventionally of constant section, the frustoconical shape of this pipe 4 according to the invention avoids any agglomerate and any stagnant zone, bridging type, solids.
  • the rounded or beveled shape of the device 8 according to the invention avoids loss of speed and therefore energy, at the level of from these angles.
  • the presence of the re-mixing ribs 13 ensures an optimal transfer of mass and heat between the gases and the different types of solids present in the reactor and the substantially axial inlet of the solids minimizes the kinetic energy loss of circulating solids flow rates.
  • FIG. 8 illustrates the case of an assembly consisting of six elementary modules reactor 1 and cyclone 2.
  • two cyclones 2 1 and 2 2 are associated with the reactor 1.
  • the two cyclones are shaped according to the invention, with the line O 1 and 6 2 connecting the reactor and the cyclone opening into the reactor. ceiling of each cyclone.
  • FIG. 13 only one cyclone 2i is thus produced, the other cyclone 2 2 being disposed at mid-height of the reactor 1 by means of a lateral outlet. There is then withdrawal of the solids at mid-height and in the upper part.
  • Such a rapid fluidized bed device has many applications and in particular can form: a combustion system, solid, liquid or gaseous fuels containing carbon of fossil or non-fossil origin and intended for the production of steam; this combustion can be carried out in air, enriched air not more than 90% oxygen or recycled smoke enriched with not more than 90% oxygen; a combustion system with metal and alkali oxides in the oxidation and reduction oxygen transport cycle, comprising injections of air or enriched air for the oxidation of the oxides and of recycled water vapor / CO2 for the reduction oxides, solid, liquid or gaseous fuels containing carbon of fossil or non-fossil origin and intended for the production of steam; a system of the same type as the previous ones but of gasification of fuels of all kinds; a system of the same type as the previous ones but of pyrolysis of fuels of all kinds; a system for cracking petroleum cuts or even bitumens and crude oils; a system for capturing sulfur oxides, chlorine compounds or carbon dioxide, downstream of existing

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Abstract

L'invention concerne un réacteur (1) pour lit fluidisé rapide comportant une enceinte (10) sensiblement cylindrique, une partie haute (11) de raccordement à l'entrée d'un cyclone (2) de séparation des solides et une partie basse (12) de raccordement à une conduite (4) de sortie des solides dudit cyclone, réacteur. Selon l'invention, ladite enceinte (10) est évasée, à parois inclinées, sa section inférieure étant en partie haute.

Description

DISPOSITIF DE LIT FLUIDISE A FLUIDISATION RAPIDE ET A FLUX SATURE DE SOLIDES CIRCULANTS
L'invention concerne un dispositif de lit fluidisé circulant à fluidisation rapide et à flux saturé de solides circulants.
Un dispositif de lit fluidisé circulant présente une configuration en boucle circulante de solides associant un réacteur, un cyclone, un retour de solides, des échangeurs et un ensemble de paramètres opératoires en terme de vitesse de gaz en fût vide, de granulométrie circulante et en débit de solides.
Le document de brevet EP 0 147 445 décrit un dispositif de lit fluidisé circulant à fluidisation rapide. Si avec un dispositif multi solides tel que décrit dans ce document, la vitesse de fluidisation atteint des valeurs relativement élevées, la perte de charge dans la zone de circulation des solides hors lit dense est relativement faible. La concentration du flux de solides circulants est donc relativement faible.
Or, il est souhaitable d'avoir une concentration importante et même un flux saturé de solides circulants, pour de nombreuses raisons et applications, dont certaines sont évoquées ci-après.
En cas de combustion en lit fluidisé circulant, il est recherché de maximiser la teneur en oxygène dans l'oxydant du combustible, ce qui réduit en proportion le débit de fumées de combustion et la taille des équipements mais requiert d'extraire la majeure partie de la chaleur de combustion dans la boucle des solides circulants. Il faut alors circuler des quantités de solides bien supérieures à celles obtenues par la technologie classique du lit fluidisé circulant.
La technologie voisine de combustion à l'air enrichi permet de réduire les débits de fumées et de doper éventuellement la puissance d'une installation existante ou la température de combustion pour des minerais à calciner mais il reste une teneur en azote dans les fumées contenant du dioxyde de carbone et de l'eau qui est à traiter en aval si seul du dioxyde de carbone est à produire pour stockage final après condensation de la vapeur d'eau.
La technologie d'absorption de dioxyde de carbone sur support solides et régénération de ceux-ci avant recyclage a été proposée dès 1999 en utilisant des lits fluidisés, comme décrit dans le document de brevet EP 1 448 876. Le problème technique est de circuler suffisamment de solides pour capter le dioxyde de carbone et s'affranchir des désactivations de support solides au fur et à mesure des cycles absorption/désorption. Il faut alors circuler des quantités de solides bien supérieures à celles obtenues par la technologie classique du lit fluidisé circulant. La technologie de production de dioxyde de carbone quasiment pur à partir de substances carbonées par circulation d'oxydes alternativement oxydés et recyclés entre deux réacteurs à lit fluidisé remonte aux années 1950 et a été appliquée à différents concepts, comme par exemple celui décrit dans le document de brevet US 5 509 362. Pour pouvoir utiliser des porteurs d'oxygène à partir de minerais naturels permettant l'économie du procédé, le problème technique est d'obtenir la conversion complète des substances carbonées et de circuler suffisamment de solides porteurs d'oxygène à des flux bien supérieurs à ceux obtenus par la technologie classique du lit fluidisé circulant.
La technologie de pré-calcination de cru de cimenterie, utilisant le lit fluidisé circulant, est bien connue depuis 1982, par exemple du document de brevet EP 0 059 508. Le problème posé est de pouvoir atteindre une grande homogénéité de température dans la boucle des solides de façon à maximiser la température de fonctionnement et pré-convertir au maximum la fraction calcinée en bi silicate de calcium qui procure des propriétés hydrauliques. Pour obtenir un mélange interne intense gaz solides sans ségrégation d'écoulement, il faut alors circuler des quantités de solides bien supérieures à celles obtenues par la technologie classique du lit fluidisé circulant.
La technologie des réacteurs de traitement de fumées par réacteur à lit fluidisé circulant est bien connue depuis 1983, comme décrit dans le document de brevet EP 0 084 469. Pour les désulfurations par voie sèche, le problème technique est de circuler suffisamment de solides pour capter le dioxyde de soufre par la formation de sulfates et de minimiser le calcium injecté, ce qui réduit la quantité de sous produits peu valorisables. Pour minimiser le débit de calcium à la quasi stoechiométrie , il faudrait circuler des quantités de solides bien supérieures à celles obtenues par la technologie classique du lit fluidisé circulant et assurer un temps de séjour adéquat pour des solides très fins adaptés aux absorptions gaz.
Les conceptions de réacteur de lit fluidisé circulant connus génèrent une structure annulaire d'écoulement qui est globalement axial ascendant, c'est-à-dire avec un noyau d'écoulement ascendant gazeux à haute vitesse chargé en solides plus fins et une zone d'écoulement annulaire axial descendant avec des solides plus grossiers. Cette structure résulte du manque d'interaction entre ces deux écoulements concentriques à sens opposés. Cette structure annulaire est préjudiciable à l'homogénéité des températures radiales et au transfert de masse et de chaleur entre les gaz et les différents types de solides présents dans la boucle du lit fluidisé circulant.
L'invention résout ce problème et propose un réacteur à fort mélange interne, minimisant l'inventaire en solides grâce à un profil de concentrations quasiment homogène sur sa hauteur, et un dispositif de lit fluidisé circulant comportant un tel réacteur qui permette d'atteindre des taux de circulation externe en solides trois à cinq fois supérieurs à ceux de la technologie classique à lit fluidisé circulant, tout en abaissant le coût des équipements par une compacité améliorée.
Par minimisation de l'inventaire en solides, il est entendu minimisation de l'énergie consommée par la mise en fluidisation, de la quantité de lit pouvant être d'un coût élevé comme dans le cas de certains oxydes métalliques par exemple et de la quantité de lit à renouveler dans le cas d'une désactivation rapide.
Pour ce faire, l'invention propose un réacteur pour lit fluidisé rapide comportant une enceinte sensiblement cylindrique, une partie haute de raccordement à l'entrée d'un cyclone de séparation des solides et une partie basse de raccordement à une conduite de sortie des solides dudit cyclone, réacteur caractérisé en ce que ladite enceinte est évasée, à parois inclinées, sa section inférieure étant en partie haute.
Il est ainsi réalisé un décollement des particules solides sans érosion par les particules des couches descendantes et donc une fort remélange et une homogénéité accrue.
L'invention concerne également un dispositif de lit fluidisé rapide comportant un réacteur tel que précisé ci-dessus, un cyclone de séparation des solides en sortie de ce réacteur, une conduite de retour de solides vers le réacteur en sortie de solides dudit cyclone et des échangeurs associés au circuit de fumées en sortie dudit cyclone.
L'invention concerne un procédé de mise en œuvre d'un tel dispositif de lit fluidisé circulant, caractérisé en ce qu'un combustible et/ou un support de réaction de granulométrie inférieure à 100 microns pour 90% de sa quantité est injecté dans ledit réacteur. L'invention concerne enfin un procédé de mise en œuvre d'un tel dispositif de lit fluidisé circulant, caractérisé par une même axiale de gaz comprise entre 7 et 9 m/s dans ledit réacteur et dans ledit cyclone.
L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant que des modes de réalisation préférés de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un dispositif de lit fluidisé rapide, conforme à l'invention.
La figure IA est une vue en coupe de détail du réacteur.
La figure 2 est une vue partielle en perspective d'un dispositif de lit fluidisé circulant conforme à l'invention. La figure 3 est une vue partielle en coupe verticale d'un dispositif de lit fluidisé circulant conforme à l'invention.
La figure 4 est une vue en coupe verticale d'un dispositif de lit fluidisé circulant conforme à l'invention, selon un autre mode de réalisation, notamment sous pression. Les figures 5 et 6 sont des vues partielles en coupe d'un réacteur conforme à l'invention.
La figure 7 est une demi vue en coupe d'un autre mode de réalisation d'un réacteur conforme à l'invention. La figure 8 est une vue de dessus d'un ensemble de réacteurs conformes à l'invention.
Les figures 9 et 10 sont des vues en coupe verticale et horizontale d'une variante de réalisation.
La figure 11 est une vue en coupe verticale d'une variante de réalisation. Les figures 12 et 13 représentent chacune une installation conforme à l'invention.
Les figures 14A à 14C représentent un détail en coupe verticale, en vue de face et en vue de coupe horizontale, selon une première variante de réalisation.
La figure 15 représente un détail en coupe verticale, selon une deuxième variante de réalisation.
Les figures 16A à 16C représentent un détail en coupe verticale, en vue de face et en vue de coupe horizontale, selon une troisième variante de réalisation.
La figure 1 représente un dispositif de lit fluidisé rapide, comportant un réacteur 1, une conduite 6 de liaison avec un cyclone 2 de séparation des solides en sortie de ce réacteur, comportant une paroi supérieure 2A dite plafond, une conduite de retour de solides 4 vers le réacteur en sortie de solides du cyclone 2 et des échangeurs 5 associés au circuit de fumées en sortie du cyclone 2. Les parois des réacteur, conduites et cyclone sont préférentiellement à parois tubées, recouvertes de réfractaires mais peuvent être en tôle avec garnissage réfractaire épais.
Une conduite 6 relie en partie haute le réacteur 1 au cyclone 2 et débouche dans le plafond 2A du cyclone.
Comme également illustré sur la figure 2, cette conduite 6 est sensiblement axiale au réacteur 1 dans un premier tronçon 6A en partie haute du réacteur, à écoulement dirigé vers le haut, aligné sur l'axe vertical de symétrie du réacteur ou parallèle à celui-ci. Ce premier tronçon 6A, où une vitesse de solides et de gaz de 25 à 35 m/s peut être obtenue en sortie de ce tronçon 6A, est raccordé au réacteur 1 par une partie tronconique d'accélération IA formant le plafond du réacteur, inclinée de 15 à 60° par rapport à un plan horizontal. Ce plafond IA peut être de section circulaire ou carrée. Un déflecteur transversal d'entrée 6C est disposé à proximité de l'entrée du premier tronçon 6A de la conduite 6 reliant le réacteur et le cyclone. Ce déflecteur 6C permet d'accélérer et de concentrer les solides dilués en une couche concentrée. Ce premier déflecteur 6C est suivi d'un second déflecteur de changement de direction 6D qui permet de concentrer à nouveau les solides.
Ce premier tronçon 6A comporte à son entrée une jupe de restriction de section 7, assurant une section de 3 à 7 fois moindre que la section transversale du réacteur 1, où de l'air ou du fluide réactif peut être injecté à une vitesse de 80 à 150 m/s pour permettre le contrôle de la circulation externe des solides au niveau désiré par la charge opératoire de l'installation et donc par des temps de séjour des solides dans les zones de conversion de deux réacteurs interconnectés, par exemple. Cette jupe 7 est donc de forme évasée, de section horizontale inférieure à son extrémité inférieure et comporte avantageusement des injections de fluidisation à cette extrémité inférieure et des joints d'expansion à proximité de son extrémité supérieure.
Cette conduite 6 est inclinée dans un dernier tronçon 6B en partie haute du cyclone, à écoulement dirigé vers le bas, l'inclinaison étant d'au moins 35° par rapport à un plan horizontal. Cette inclinaison de 35 ° peut être réduite à 20 ° si ce tronçon possède des fluidisations auxiliaires. Ainsi, il est obtenu un écoulement en phase dense au bas de ce dernier tronçon 6B et un écoulement gravitaire en masse des solides est favorisé.
Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 2, ce premier tronçon 6A et ce dernier tronçon 6B sont relié par un tronçon intermédiaire 6E de direction horizontale mais avec un fond inférieur incliné assurant un angle d'écoulement d'au moins 20°. La conduite 6 débouche dans le plafond 2A du cyclone à proximité de la périphérie de ce dernier par une fente 3 en arc de cercle, de largeur constante. Le bord périphérique externe de cette fente 3 est disposée en continuité avec la paroi cylindrique du cyclone 2, afin de ne pas réduire la vitesse des solides et contribue à un rendement de séparation gaz / solides optimal dans le cyclone.
Le cyclone 2 comporte une sortie des fumées latérale 2B, par son cône inférieur, ou centrale 2B', par son plafond, amenant ces fumées vers les échangeurs 5. Une chaudière de récupération de chaleur à écoulement horizontal, posée, peut être ainsi installée, comme illustré sur la figure 1. Dans le cas d'une sortie latérale 2B, le cyclone est pourvu d'une jupe cylindrique 2 B" interne qui est face à l'extrémité de la sortie 2 B avec une distance entre elles. Le but de cette jupe 2B" est d'empêcher un passage direct des solides circulants vers le sortie 2B.
La conduite de retour de solides 4 en sortie du cyclone est tronconique au moins sur sa partie inférieure, évasée d'un angle global α de 5 à 10°, sa section augmentant en aval de la sortie du cyclone vers son autre extrémité plus basse. Son extrémité plus basse est connectée à un dispositif 8 en forme de U, à angles internes arrondis. En variante représentée sur la figure 3, ce dispositif 8 peut être en forme U, à angles formés par des faces 8A inclinées de 45°. Cette gaine de retour des solides 4 peut être verticale ou inclinée d'au plus
30° par rapport à un plan vertical.
Cette conduite 4 peut comporter une dérivation 8B vers un réacteur adjacent et des moyens d'introduction par gravité 8A de combustibles et/ou de solides réactionnels frais. Elle peut également comporter des injections de fluides en parois et des cannes d'aération 4A perforées situées au cœur de l'écoulement pour lubrifier les parois et diminuer les coefficients de frottement.
Le dispositif en U 8 assure un blocage de passage direct de gaz provenant du bas du réacteur 1 à plus forte pression vers la conduite de retour des solides 4. Il comporte une alimentation 8A par gravité en combustibles et/ou en supports solides de réaction. Sa partie de remontée est d'une hauteur h, de valeur comprise entre la valeur de son diamètre et trois fois cette valeur de diamètre, afin de minimiser les pertes de charges.
Les figures 9 à 11 représentent des variantes de réalisation de ce dispositif en U et du retour des solides vers le(s) réacteur(s). Les figures 9 et 10 représentent un mode de réalisation de retours multiples des solides vers plusieurs réacteurs. La gaine de retour des solides 4 en sortie du cyclone 2 débouche dans une enceinte 18 pourvue sur son fond inférieur d'injection de fluidisation et portant sur sa partie haute quatre conduites inclinées vers le bas et dont deux 19, 20 peuvent être raccordées au réacteur 1, dont une 21 peut être raccordée à un autre réacteur et dont une 22 peut être raccordée à un échangeur. L'agencement de U précédemment décrit est ici conformé de façon tridimensionnelle autour de la gaine de retour 4.
La figure 11 représente un agencement de U 28 accolé à la partie basse 12 du réacteur 1. C'est alors une partie de paroi du réacteur qui forme le U. Cet agencement comporte des injections de fluidisation 29 sur son fond inférieur. La partie basse du réacteur 1 présente quant à elle une paroi inclinée pourvue d'injections de fluidisation primaires 30.
Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 4, un tel dispositif de lit fluidisé rapide peut être pressurisé, par une mise en pression modérée de l'ordre de 6 à 10 bars, les parois tubées étant alors complétées par une seconde enceinte métallique externe résistant à la pression interne. La conduite 6' de liaison du réacteur l' et du cyclone 5' présente alors uniquement un premier tronçon 6'A axial, en partie haute du réacteur, à écoulement dirigé vers le haut et un dernier tronçon 6'B incliné, en partie haute du cyclone, à écoulement dirigé vers le bas, l'inclinaison étant d'au moins 20 ° par rapport à un plan horizontal.
Un tel agencement de conduite 6' ne comporte donc pas de tronçon intermédiaire de direction horizontale, comme vu sur la figure 2. Il est à noter que même dans le cas d'un dispositif non pressurisé, un agencement selon la figure 4 peut être utilisé et est même avantageux, car supprimant un transfert de direction horizontal des solides entre le réacteur et le cyclone. Comme également représenté sur la figure 1, un réacteur 1 pour lit fluidisé rapide conforme à l'invention comporte une enceinte 10 sensiblement cylindrique pour les applications sous pression, de section polyédrique, de préférence carrée ou rectangulaire, une partie haute 11 de raccordement à l'entrée du cyclone de séparation des solides 2 et une partie basse 12 de raccordement à la conduite de sortie des solides 4 du cyclone, de forme tronçon ique correspondante.
L'enceinte 10 est évasée, à parois inclinées, sa section inférieure étant en partie haute. De préférence, les parois de l'enceinte sont inclinées d'un angle compris entre 5 et 20° par rapport à une droite verticale, et avantageusement égal à 5°.
Compte tenu de la hauteur d'un tel réacteur, cette inclinaison n'est pas visible sur les figures d'ensemble mais est illustrée sur la vue de détail IA où est représenté l'angle β d'inclinaison par rapport à une droite verticale et compris entre 5 et 20°.
L'enceinte 10 comporte des profils de re-mélange 13 en forme de nervures, annulaires internes de section constante, par exemple trapézoïdale, réparties sur au moins une partie de sa hauteur et de préférence, comme représenté, sur toute la hauteur de l'enceinte. Ces nervures 13 ont des dimensions dépendantes des dimensions du réacteur et ont une épaisseur comprise entre 50 et 400 mm et sont espacées l'une de l'autre d'une distance de 1 à 4 m.
Comme illustré par des flèches sur la figure 5, ces nervures 13 ont pour fonction de décoller la couche d'écoulement annulaire axial descendant de solides qui se forme en partie haute du réacteur et de la dévier en direction du noyau central d'écoulement ascendant gazeux à haute vitesse chargé en solides plus fins. Ainsi il est obtenu une homogénéité des températures radiales entre le centre et la périphérie annulaire de l'écoulement et un transfert optimal de masse et de chaleur entre les gaz et les différents types de solides présents dans le réacteur. Trois variantes de réalisation des nervures de re-mélange sont représentées sur les figures 14 à 16.
Les figures 14A à 14C montrent des nervures tubées 102 qui sont crées par des tubes déportés selon une certaine périodicité, par exemple un tube sur deux, à partir d'une paroi constituée de tubes courants 101 et d'ailettes soudées 100. Ces nervures sont revêtues d'un garnissage réfractaire 103.
La figure 15 montre des nervures sur ancrages 106 soudés à une paroi constituée de tubes courants 101 et d'ailettes soudées 100, sur lesquels est coulé ou damé un garnissage réfractaire 103 qui donne la géométrie désirée. Les figures 16A à 16C montre des nervures sur étagères métalliques horizontales ajourées 104 supportées par des raidissements verticaux 105 soudés périodiquement à une paroi constituée de tubes courants 101 et d'ailettes soudées 100. Un garnissage réfractaire 103 procure la géométrie désirée.
La partie basse 12 du réacteur, représentée sur la figure 6, comporte une entrée 14 sensiblement axiale, c'est-à-dire alignée sur l'axe vertical de symétrie du réacteur, des solides de forme tronconique, multi-tronconique ou conique. Ainsi est minimisée la perte d'énergie cinétique des débits de solides en circulation et donc évitée une accumulation des solides en partie basse du réacteur qui est une caractéristique typique du lit fluidisé circulant. Il n'est donc plus nécessaire d'utiliser autant d'énergie de fluidisation et les érosions internes des réfractaires et des buses de fluidisation sont également minimisées. Les vitesses de fluidisation sont comprises entre 10 et 40 m/s dans cette partie basse.
Le réacteur 1 peut donc être dépourvu de grille de fluidisation à buses multiples, qui est un composant complexe et coûteux en investissement, sujet à bouchage et à érosion.
Le réacteur 1 comporte des injections 15 de moyens de fluidisation sur trois à cinq niveaux en parois de l'enceinte 10 et de la partie basse 12.
Cette partie basse comporte également au moins une entrée par gravité
8A de combustible et/ou de supports solides de réaction, située en aval du dispositif en U 8 qui peut comporter également une injection 15' de moyens de fluidisation au niveau de sa base, et un agencement d'extraction 16 des solides. Cette entrée par gravité peut être équipée d'une injection axiale concentrique de gaz pour former un écran de gaz et éviter des collages aux parois.
Les injections en moyens de fluidisation 15, 15' permettent de piloter précisément le profil de vitesses des gaz dans la zone primaire d'accélération des solides que forme la partie basse 12 du réacteur. Cette accélération est essentielle pour atteindre un débit approprié de solides en circulation dans la boucle et réaliser les réactions désirées dans le réacteur 1. Ces injections de moyens de fluidisation permettent également de piloter les atmosphères gazeuses locales par exemple d'assurer la libération de l'azote combustible des combustibles en bas du réacteur, grâce à la pyrolyse crée par l'apport de chaleur des solides chauds entrant et donc de réduire les oxydes d'azote dans des combustions à l'air ou à l'oxygène.
Le réacteur 1 peut contenir au moins un lit intégré 14', tel que représenté sur la figure 7, pouvant être installé sur une face ou plusieurs faces du réacteur. Des alimentations en air secondaire 15 peuvent être réglées pour promouvoir le remplissage en solides de ce lit 14'.
Un tel lit intégré peut fonctionner en lit fluidisé ou en lit mobile et permet de contrôler l'inventaire en circulation pour un inventaire global donné et de piloter le débit de solides en circulation externe vers un autre réacteur. Ce lit intégré 14' peut comprendre une conduite 14A vers un autre réacteur et peut assurer un rôle de barrière carbone et soufre entre deux réacteurs interconnectés.
De préférence, un procédé de mise en œuvre d'un tel dispositif de lit fluidisé rapide consiste à injecter dans le réacteur 1 un combustible et/ou un support de réaction, selon l'application, de granulométrie inférieure à 100 microns pour 90% de sa quantité et à injecter un gaz de fluidisation en partie basse du réacteur 1, à une vitesse de l'ordre de 10 à 40 m/s au bas du réacteur 1, la vitesse de gaz étant comprise entre 7 et 9 m/s dans le réacteur 1 et dans le cyclone 2. La concentration en solides à l'endroit où ladite conduite 6, 6' débouche dans ledit plafond 2A, 2'A du cyclone, comprise entre 20 et 60 kg/Nm3 à pleine charge.
En effet, le dispositif de lit fluidisé circulant conforme à l'invention présente les caractéristiques optimales pour assurer une fluidisation rapide et un flux saturé de solides circulants.
En ce qui concerne la conduite de liaison du réacteur et du cyclone, qui classiquement est horizontale et se raccorde latéralement au réacteur et au cyclone, comme décrite dans le document de brevet EP 0 147 445, la conduite 6 conforme à l'invention présente une absence de tronçon horizontal, reliant le premier tronçon 6A et le dernier tronçon 6B, et donc entraîne un minimum de perte de vitesse et d'énergie cinétique et évite toute accumulation de solides qui perturberait l'écoulement, tout en assurant une entrée périphérique dans le cyclone, dirigée de façon optimale pour une séparation des solides et des fumées. Cet agencement de conduite de liaison permet également d'abaisser sensiblement la hauteur du cyclone 2 par rapport au plafond du réacteur 1 et donc de réduire la hauteur d'ensemble de l'installation et les charpentes de soutien et donc d'améliorer très sensiblement la compacité et de réduire les coûts d'investissement. En ce qui concerne la conduite de sortie des solides du cyclone, qui classiquement est de section constante, la forme tronconique de cette conduite 4 conforme à l'invention évite tout agglomérat et toute zone stagnante, de type pontage, des solides.
En ce qui concerne le dispositif en partie basse de cette conduite, qui classiquement est de forme en U à angles droits, la forme arrondie ou biseautée du dispositif 8 conforme à l'invention évite des pertes de vitesse et donc d'énergie, au niveau de ces angles.
En ce qui concerne le réacteur, qui classiquement est à parois tubées verticales et à retour latéral en solides, la présence des nervures de re-mélange 13 assure un transfert optimal de masse et de chaleur entre les gaz et les différents types de solides présents dans le réacteur et l'entrée 14 sensiblement axiale des solides minimise la perte d'énergie cinétique des débits de solides en circulation.
Il est ainsi possible d'obtenir une boucle rapide de circulation des solides, avec homogénéité totale des températures des gaz et des solides et maximisation des flux massiques de solides circulants sur l'ensemble de la boucle, la vitesse axiale étant la même dans le réacteur 1 et le cyclone 2, et d'atteindre une concentration élevée de solides, de l'ordre de 20 à 60 kg/Nm3 en entrée du cyclone. Une installation plus compacte et donc moins coûteuse est également obtenue, particulièrement dans le cas d'un dispositif pressurisé. L'ensemble réacteur 1 et cyclone 2 forme une structure modulaire simple puisque réacteur et cyclone sont caractérisés uniquement par une même vitesse axiale de 7 à 9 m/s. Il est donc possible d'agencer de tels modules élémentaires en lignes ou en polygones. On peut alors construire un ensemble de 2, 3, 4, 6, 8 réacteurs soit l'équivalent de 100 à 800 MWe pour une chaudière de combustion à l'air à pression atmosphérique. La figure 8 illustre le cas d'un ensemble constitué de six modules élémentaires réacteur 1 et cyclone 2.
Il est également possible d'associer plusieurs cyclones à un réacteur 1 comme illustré sur les figures 12 et 13.
Dans les deux exemples représentés, deux cyclones 2i et 22 sont associés au réacteur 1. Selon la figure 12, les deux cyclones sont conformés selon l'invention, avec la conduite O1 et 62 reliant le réacteur et le cyclone débouchant dans le plafond de chaque cyclone. Selon la figure 13, seul un cyclone 2i est ainsi réalisé, l'autre cyclone 22 étant disposé à mi hauteur du réacteur 1 au moyen d'une sortie latérale. Il y a alors soutirage des solides à mi-hauteur et en partie haute.
Un tel dispositif de lit fluidisé rapide trouve de très nombreuses applications et en particulier peut former : un système de combustion, de combustibles solides, liquides ou gazeux contenant du carbone d'origine fossile ou non fossile et destiné à la production de vapeur ; cette combustion peut être effectuée à l'air, à l'air enrichi d'au plus 90% d'oxygène ou aux fumées recyclées enrichies d'au plus 90% d'oxygène ; un système de combustion aux oxydes métalliques et alcalins en cycle de transport d'oxygène par oxydation et réduction, comportant des injections d'air ou d'air enrichi pour l'oxydation des oxydes et de vapeur d'eau / CO2 recyclé pour la réduction des oxydes, de combustibles solides, liquides ou gazeux contenant du carbone d'origine fossile ou non fossile et destiné à la production de vapeur ; un système de même type que les précédents mais de gazéification de combustibles de toute nature ; un système de même type que les précédents mais de pyrolyse de combustibles de toute nature ; un système de craquage de coupes pétrolières voire de bitumes et de pétroles bruts ; - un système de capture des oxydes de soufre, des composés chlorés ou du dioxyde de carbone, en aval de chaudières existantes : un système de traitement à haute température de goudrons et d'hydrocarbures d'ordre supérieur en aval d'une unité de gazéification et / ou de craquage et / ou de pyrolyse; - un système de précalcination et de clinkérisation de cru de cimenterie.

Claims

REVENDICATIONS
1. Réacteur (1) pour lit fluidisé rapide comportant une enceinte (10) sensiblement cylindrique, une partie haute (11) de raccordement à l'entrée d'un cyclone (2) de séparation des solides et une partie basse (12) de raccordement à une conduite (4) de sortie des solides dudit cyclone, réacteur caractérisé en ce que ladite enceinte (10) est évasée, à parois inclinées, sa section inférieure étant en partie haute.
2. Réacteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les parois de ladite enceinte sont inclinées d'un angle (β) compris entre 5 et 20° par rapport à une droite verticale.
3. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite enceinte (10) comporte des profils de re-mélange (13) en forme de nervures annulaires internes réparties sur au moins une partie de sa hauteur.
4. Réacteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdites nervures annulaires internes (13) sont réparties sur toute la hauteur de ladite enceinte.
5. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites nervures (13) ont une épaisseur comprise entre 50 et 400 mm et sont espacées l'une de l'autre d'une distance de 1 à 4 m.
6. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite partie basse (12) comporte une entrée (14) des solides de forme tronconique et sensiblement alignée sur l'axe vertical de symétrie de ladite enceinte.
7. Réacteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de grille de fluidisation.
8. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite partie basse (12) comportent au moins une entrée (17) d'injection par gravité de combustible et/ou de supports solides de réaction.
9. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il contient au moins un lit intégré (14).
10. Réacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie basse (12) comporte un agencement d'extraction des solides (16).
11. Dispositif de lit fluidisé rapide comportant un réacteur (1) selon l'une des revendications précédentes, au moins un cyclone de séparation des solides (2) en sortie de ce réacteur, une conduite de retour de solides (4) vers le réacteur en sortie de solides dudit cyclone et des échangeurs (5) associés au circuit de fumées en sortie dudit cyclone.
12. Procédé de mise en œuvre d'un dispositif de lit fluidisé circulant selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un combustible et/ou un support de réaction de granulométrie inférieure à 100 microns pour 90% de sa quantité est injecté dans ledit réacteur (1).
13. Procédé de mise en œuvre d'un dispositif de lit fluidisé circulant selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce par une même vitesse axiale de gaz comprise entre 7 et 9 m/s dans ledit réacteur (1, l') et dans ledit cyclone (2, 20-
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