LU86352A1 - Echangeur de chaleur gaz-gaz - Google Patents

Description

v V

\ V / ÉCHANGEUR DE CHALEUR GAZ-GAZ.

La présente invention est relative à un échangeur de chaleur entre deux gaz, qui permet notamment de limiter un mélange des gaz à traiter.

Les prix sans cesse croissants des combustibles utilisés dans des processus industriels, tels que notamment la fabrication de verre et dans d'autres opérations grosses consommatrices d'énergie ont provoqué un dévelop-pement des recherches dans le domaine de la récupération de chaleur, notamment de la chaleur contenue dans des gaz résiduaires et fumées qui sont normalement évacués dans 1'atmosphère ambiante.

Dans certains cas d'application particuliers, les échangeurs de chaleur classiques ne peuvent cependant pas être utilisés à cause des risques élevés de corrosion des installations, dus à l'agressivité des gaz. Par ailleurs, les échangeurs classiques présentent des dimensions particulièrement importantes dans le cas de débits de gaz 20 élevés. De plus, il est fréquent de trouver des installations très rigides et difficilement réglables pour ce qui concerne les températures de fonctionnement optimales et les débits.

Un but de la présente invention vise à fournir 25 un échangeur de chaleur du type gaz-gaz qui peut trouver de nombreuses applications dans 1 ' échange thermique entre deux gaz dont l'un au moins peut être corrosif.

Un autre but de la présente invention vise à fournir un échangeur de chaleur du type gaz-gaz qui limite 20 le mélange des deux gaz qui sont soumis à l'échange thermique.

Un autre but de la présente invention vise à fournir un échangeur de chaleur aisément réglable pour ce qui concerne les températures de fonctionnement et les 35 débits, dans des conditions optimales.

Un autre but de la présente invention vise à fournir un échangeur de chaleur du type susmentionné de construction très simple et robuste.

Un but complémentaire de la présente invention 1 l 2 vise à fournir un échangeur de chaleur qui met à profit le . principe des lits fluidisés communicants.

Selon la présente invention, l'échangeur du type gaz-gaz utilisant le principe des lits fluidisés intercon-5 nectés est caractérisé en ce qu'il consiste en un récipient tubulaire vertical cylindrique ou polygonal divisé verticalement et radialement en au moins quatre compartiments adjacents communiquant entre eux, dont au moins deux compartiments adjacents forment une partie dite froide et 10 comportant au moins une évacuation du gaz froid et au moins deux compartiments adjacents forment une partie dite chaude et comportant au moins une évacuation du gaz chaud; en ce que chaque compartiment contient un lit fluidisé qui comporte une matière solide mise en suspension par l'un 15 des gaz chauds ou froids intervenant dans l'échange thermique; en ce que, dans le sens de circulation des solides fluidisés, un lit fluidisé à haute vitesse est suivi par un lit fluidisé à basse vitesse et celui-ci est suivi par un lit fluidisé à haute vitesse, un lit fluidisé à haute 20 vitesse pouvant déborder par le haut dans le lit fluidisé à basse vitesse suivant et un lit fluidisé à basse vitesse communiquant par le bas avec le lit fluidisé à haute vitesse suivant; et en ce qu'il comporte au moins un circuit de dérivation à débit réglable qui permet de 25 recycler le gaz sortant dans la fluidisation d'un des lits fluidisés, vers au moins un des lits fluidisés.

On sait en effet que l'expansion d'une couche fluidisée augmente avec la vitesse de fluidisation et que d'autre part, la perte de charge dans une couche fluidisée 30 équilibre le poids de solide par unité de section. Par conséquent, si on réalise un vase communicant fluidisé, avec des vitesses de gaz différentes dans les deux branches, les hauteurs d'équilibre seront différentes. Dès lors, en prévoyant un débordement à la partie supérieure 35 du système, les deux niveaux s'équilibrent en provoquant une circulation du solide.

Selon une première forme d'exécution avantageuse de la présente invention, les compartiments présentent i 3 tous une section identique. En variante, on peut prévoir une section moindre pour les compartiments à lit fluidisé à basse vitesse.

De préférence, le dispositif de l'invention 5 comporte deux circuits de dérivation dont un premier recycle une partie des gaz chauds sortant dans le fond du compartiment chaud à lit fluidisé à haute vitesse ou dans le compartiment chaud à lit fluidisé à basse vitesse et le deuxième recycle une partie des gaz froids sortant dans le 10 fond du compartiment froid à lit fluidisé à haute vitesse ou dans le compartiment froid à lit fluidisé à basse vitesse.

On peut également prévoir un circuit de dérivation qui amène une partie des gaz entrants chaud ou froid 15 à la sortie.

On constate aisément que l'échangeur selon la présente invention présente une construction particulièrement compacte et d'installation simple. Il suffit de prévoir des matériaux résistant à la corrosion pour les 20 éléments constitutifs tels que la paroi extérieure du réacteur et les cloisons de séparation. Ces éléments sont de construction très simple et, par conséquent, peu onéreuse.

L'agencement compact de 1'échangeur selon la 25 présente invention favorise également un bon échange thermique entre le gaz chaud et le gaz froid, l'échange pouvant s'effectuer, d'une part, à travers des cloisons de séparation de la partie chaude et de la partie froide et, d'autre part, à l'aide de la matière solide maintenue en 30 suspension par les gaz, qui circulent d'une partie à l'autre, en passant d'une partie dite chaude à une partie dite froide.

On choisit donc des matières solides appropriées telles que par exemple du sable et/ou de l'argile expan-35 sée, dont la granulométrie est judicieusement déterminée pour permettre une fluidisation convenable aux vitesses réalisées dans l'appareil.

On conçoit aisément que les gaz sont séparés t 4 étant donné que la partie chaude est séparée de la partie froide par des cloisons qui ne comportent qu'une ouverture à leur partie inférieure pour la circulation des matières solides. En vue d'encore augmenter la séparation des gaz 5 et en vue d'empêcher un mélange de ceux-ci, à travers ces ouvertures, on peut agencer l'injection des gaz de fluidisation au-delà des dites ouvertures.

Il est à noter que dans l'application du dispositif selon l'invention à l'échange thermique entre deux 10 gaz, l'utilisation d'au moins un circuit de dérivation pour le recyclage d'une partie des gaz s'est avérée particulièrement avantageuse pour ce qui concerne le réglage fin du fonctionnement en conditions optimales du disposi-, tif. Un tel circuit de dérivation permet notamment, par le 15 réglage du débit qui le traverse, de régler le niveau de température qui règne dans les lits fluidisés correspondants .

Selon une variante de la présente invention, les matières solides mises en suspension dans les gaz de 20 fluidisation peuvent au moins partiellement consister en , , . s , chimiquement ou. physiquement des matières pouvant interagir /avec les gaz qui les tiennent en suspension, en vue de les dépolluer par exemple. C'est ainsi que les matières solides peuvent consister en des réactifs chimiques, des substances catalytiquement actives 25 supportées sur des matières de support classiques adéquates ou des absorbants chimiques ou physiques, notamment des masses pulvérulentes permettant de fixer des aérosols, des gouttelettes et de fines particules éventuellement présentes dans les gaz à traiter.

30 D'autres détails apparaîtront à la lecture de la description d'une forme d'exécution particulière représentée dans les figures annexées, dans lesquelles: - la figure 1 est une coupe verticale schématique de = l'échangeur selon l'invention, 35 - la figure 2 représente une coupe schématique du disposi tif selon la figure 1, au niveau A-A, et - la figure 3 est un schéma des échanges de matières et des circulations de gaz.

* i 5

Le principe de l'invention sera décrit ci-après. Si la vitesse de fluidisation du compartiment 1 est plus élevée que celle appliquée au compartiment 2, le niveau d'équilibre du lit sera plus élevé que celui du comparti-5 ment 2. Si on abaisse la cloison 4 séparant les deux compartiment de façon à permettre un débordement, les deux niveaux s'équilibrent et provoquent une circulation du solide suivant les flèches.

Un mode particulièrement préféré de l'invention 10 est représenté dans les figures 1 et 2. L'échangeur comporte quatre compartiments 1, 2, 3, 4, dont deux (1, 2) forment la partie froide et les deux autres (3, 4) la partie chaude. Au sein de chaque partie, les compartiments sont portés à des vitesses de fluidisation différentes qui 15 provoquent la circulation suivante: les particules solides passent du compartiment 1 vers le compartiment 2 par débordement parce que la vitesse de fluidisation de 1 est supérieure à celle de 2; les particules solides passent du compartiment 2 vers 3 par le fond 5, de 3 vers 4 par 20 débordement puisque la vitesse de fluidisation de 3 est supérieure à celle de 4 et de 4 vers 1 par le fond 6.

Le gaz froid quitte l'échangeur, après avoir été chauffé par les gaz chauds, via la sortie 7 alors qu'il a été alimenté en 9 pour fluidiser les matières solides. Le 25 gaz chaud alimenté en 10 pour mettre en suspension les matières solides traverse les compartiments 3 et 4 en cédant une partie de son énergie calorifique au gaz froid et quitte l'échangeur en 8. Un circuit de dérivation 15 réglable moyennant une vanne 17 permet de recycler une 30 partie des gaz chauds dans le fond de l'un des compartiments chauds 3 ou 4, de préférence le compartiment 3 comportant le lit fluidisé à haute vitesse. Cet agencement permet de régler aisément le niveau de température du r système. La circulation est assurée par un ventilateur de 35 circulation 18.

Le gaz froid est évacué par le conduit 7 et le gaz chaud de fluidisation par le conduit 8 ce qui permet de les séparer.

î 6 • Pour éviter totalement le mélange des gaz chauds et froids, on peut suivant ce mode particulièrement préféré de l'invention, fluidiser le fond 9 de la partie froide 1, 2 et injecter du gaz froid complémentaire à un niveau 5 11 situé au-dessus des orifices de communication 5, 6.

Dans ce cas, la section de 11 appareil doit augmenter avec la hauteur du dispositif. On peut procéder de manière analogue pour les compartiments chauds en utilisant l'in-jecteur 12.

10 Comme il est de pratique courante, le dispositif de l'invention comporte avantageusement une alimentation 13 des matières solides dans la partie chaude ou froide par une trémie et une vis sans fin. Il est bien entendu que l'alimentation peut se faire par tout moyen connu en 15 soi, par exemple par une vanne papillon ou un lit fluidisé annexe.

On peut également prévoir un soutirage de matières solides, éventuellement après réaction chimique, par le fond (non représenté). Celles-ci peuvent être tamisées 20 et réinjectées dans la partie chaude ou la partie froide afin de jouer le rôle de volant thermique.

Le dispositif de la présente invention peut également comporter un système de cyclones (non représenté sur les figures) ou tout autre système de filtrage des gaz 25 à haute température pour purifier le gaz et recycler les fines poussières emportées.

Les distributeurs de gaz sont ceux utilisés couramment dans les lits fluidisés simples, comme par exemple des plaques perforées, des plaques à cloche, des 30 tubes perforés...etc.

Afin d'encore améliorer le fonctionnement de l'installation, il peut être avantageux de charger dans le lit fluidisé des réactifs chimiques ou des particules cata-lytiquement actives ou encore des absorbants chimiques ou 35 physiques. Ceci permet de combiner à la fonction d'échange thermique, une fonction de réaction chimique ou physique telle qu'une dépollution par exemple.

La régulation peut se réaliser de manière

fr J

7 pratique comme indiqué à la figure 2 tout en assurant une circulation importante et régulière du débit de matières solides.

Le dispositif de régulation comporte la mesure des pertes de charge différentielles pour commander une 5 vanne motorisée pouvant être montée sur le conduit 11 et/ou le conduit 12 (seule la forme d'exécution d'une vanne motorisée sur le circuit 12 est représentée à la figure 2).

Selon la figure 2, on peut réguler le débit de 10 solides circulant entre la partie chaude et la partie froide en montant un capteur de pression différentielle localisé (20 et 20') en au moins un orifice immergé (5) afin de codmmander par une vanne motorisée (24), les débits alimentant au moins un compartiment haute vitesse 15 (3).

Dans la figure 3, on indique schématiquement par des traits continus les circulations gazeuses et par des les échanges de matière traits discontinus,/entre une partie froide 31 et une partie chaude 32. Le sens de circulation principal des gaz 20 est marqué par une simple flèche et les circuits de dérivation possibles des gaz sont indiqués par une double flèche. Les différentes vannes de régulation 24 pouvant être montées dans le circuit de dérivation sont également représentées.

25 On remarquera que le dispositif de l'invention bénéficie d'une plus grande compacité et d'un meilleur transfert calorifique; le transfert de chaleur s'effectue par la circulation de particules solides et par la paroi de séparation entre les parties chaudes et froides. 30 L'invention sera décrite ci-après à titre d'exemple illustratif d'une application pratique particulière .

Exemple

Une application de l'échangeur selon l'invention 35 se trouve dans le domaine de la récupération de l'énergie calorifique contenue dans les gaz résiduaires des fours de verrerie. Un tel gaz quitte le four à 1400 °C, traverse un » 8 régénérateur connu qui en abaisse la température à 472 °C pour l'envoyer dans une cheminée, l'air frais à 20 °C étant ainsi porté à 1045 °C, avant d'être injecté dans le four. Si l'on monte en aval du régénérateur classique, un 5 échangeur selon l'invention, le gaz sortant du four à 1400 °C est amené à 535 °C dans le régénérateur classique et à 302 °C dans l'échangeur selon l'invention avant d'être évacué dans une cheminée. De l'air ambiant à 20 °C est chauffé à 251 °C dans l'échangeur selon l'invention et 10 porté à 1161 °C dans le régénérateur classique. On obtient ainsi une amélioration notable du bilan énergétique de l'installation. Le lit joue le rôle de masse permettant de fixer ou de capturer les aérosols, les gouttelettes et les très fines particules présentes dans le gaz.

15 Dans le cas d'un gaz chaud contenant de l'acide chlorhydrique et provenant par exemple de 1'incinération de déchets, on peut traiter ledit gaz dans l'échangeur selon l'invention en récupérant une partie de son énergie calorifique et en utilisant, à titre de matière solide, 20 entre autres, de la chaux éteinte, qui neutralise chimiquement le gaz acide avant de l'évacuer dans l'atmosphère.

Il est bien évident que la présente invention n'est pas limitée aux formes d'exécution décrites mais qu'elle s'étend au cadre défini par les revendications qui 25 comprennent aussi une série de modifications telles que par exemple l'utilisation de déflecteurs inclinés par rapport à la verticale, qui sont montés sur les cloisons de séparation, à l'endroit du débordement. Une telle disposition permet d'augmenter sensiblement le débit de passage. 30 Par ailleurs, on peut faire appel à toutes les techniques classiques à la portée de l'homme de l'art pour ce qui concerne le réglage du dispositif. L'addition de matières de garnissage de dimension adéquate permet de "gonfler" le lit fluidisé sans qu'il ne soit nécessaire de 35 faire varier la vitesse du gaz de fluidisation et accessoirement peut servir de support de réactif chimique ou physique ou d'absorbant chimique ou physique qui présente dans ce cas l'avantage de rester captif dans un * > 9 compartiment, c'est-à-dire de ne pas circuler comme le reste du lit fluidisé d'un compartiment dans l'autre.

5 10 15 20 25 30 35

Claims (14)

1. Echangeur de chaleur du type gaz-gaz utilisant le principe des lits fluidisés interconnectés, caractérisé en ce qu'il consiste en un récipient tubulaire 5 vertical cylindrique ou polygonal divisé verticalement et radialement en au moins quatre compartiments adjacents communiquant entre eux (1, 2, 3, 4), dont au moins deux compartiments adjacents forment une partie froide (1, 2) et comportant au moins une évacuation du gaz froid (7 ) et 1q au moins deux compartiments adjacents forment une partie chaude (3, 4) et comportant au moins une évacuation du gaz chaud (8) j en ce que chaque compartiment contient un lit fluidisé qui comporte une matière solide mise en suspension par l'un des gaz chauds ou froids intervenant dans .j,- l'échange thermique; en ce que, dans le sens de circulation des solides fluidisés, un lit fluidisé à haute vitesse (1, 3) est suivi par un lit fluidisé à basse vitesse (2, 4) et celui-ci est suivi par un lit fluidisé à haute vitesse, un lit fluidisé à haute vitesse (1, 3) pouvant déborder par le haut dans le lit fluidisé à basse vitesse suivant (2, 4) et un lit fluidisé à basse vitesse (2, 4) communiquant par le bas (5, 6) avec le lit fluidisé à haute vitesse suivant (1, 3); et en ce qu'il comporte au moins un circuit de dérivation (15) à débit réglable (17) -,ς qui permet de recycler le gaz sortant dans la fluidisation d'un des lits fluidisés ; vers l'un des lits fluidisés.

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que tous les compartiments (1, 2, 3, 4) présentent une section identique.

3(-j 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les compartiments à lit fluidisé à basse vitesse (2, 4) présentent une section moindre.

4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits de dérivation dont un premier recycle une partie des gaz chauds sortants dans le fond de l'un des compartiments chauds et l'autre recycle une partie des gaz froids sortant dans le fond de l'un des * y 11 compartiments froids.

5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins un circuit de dérivation qui amène une 5 partie des gaz entrants chaud ou froid vers la sortie.

6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit de dérivation recycle une partie des gaz chauds sortant dans le fond du compartiment chaud à lit fluidisé 10. haute vitesse (3).

7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la matière solide mise en suspension par les gaz chauds et froids est du sable ou de l'argile expansée.

8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la matière solide mise en suspension par les gaz chauds et froids contient des réactifs chimiques, des matières catalytiquement actives, ou des absorbants chimiques ou 20 physiques.

9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'une partie de l'alimentation en gaz de fluidisation s'effectue à un niveau supérieur au niveau des ouvertures (5, 6) 25 assurant la communication par le bas des compartiments adjacents.

10. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les cloisons de séparation permettant un débordement par le 30 haut comportent des déflecteurs inclinés par rapport à la verticale.

11. Echangeur de chaleur caractérisé en ce qu'une vanne (24) commandée par la différence de pression entre le compartiment haute vitesse et le compartiment 35 basse vitesse d'une même partie chaude ou froide est montée dans le conduit d'injection de gaz de fluidisation, respectivement, chaud ou froid (11,12).

12. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque * « 12 des revendications précédentes caractérisé en ce que des matières de garnissage sont utilisées pour gonfler le lit fluidisé ce qui permet d'éviter de devoir faire varier la vitesse de fluidisation dans les différents compartiments 5 et accessoirement permet d'utiliser les matières de garnissage comme support de réactif chimique ou d'absorbant chimique ou physique.

13. Procédé pour la récupération de l'énergie calorifique de gaz chauds caractérisé en ce qu'on injecte 10 le gaz chaud dans la partie chaude du dispositif selon les revendications précédentes en vue d'y fluidiser une matière solide et en ce qu'on injecte un gaz froid dans la partie froide du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes en vue d'y fluidiser la matière 15 solide qui circule d'un compartiment à l'autre.

14. Procédé selon la revendication 13 caractérisé en ce qu'on utilise, à titre de matière solide, au moins partiellement des réactifs chimiques, des matières catalytiquement actives ou des masses absorbantes chimi- 20 ques ou physiques qui traitent les gaz chauds. 25 30 35 V