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2~ 6o
( ~
REACTEUR A LIT FLUIDISE CIRCULANT A EXTENSIONS DE
SURFACE D'ECHANGE THERMIQUE.
La présente invention se rapporte à un réacteur à lit
fluidisé circulant ~ extensions de surface d'échange
5 thermique.
~ e réacteur à lit ~luidisé circulant est utilisé de
façon courante dans les centrales thermiques et pour des
puissances de plus en plus élevées.
Plus précisément l'invention concerne un réacteur à
10 lit fluidisé circulant comportant une zone inférieure
pourvue d'une grille de fluidisation, de moyens d'injection
d'air primaire en-dessous de la grille, de moyens
' d'injection d'air secondaire au-dessus de la grille et de
moyens d'introduction de combustible, les parois entourant
15 cette zone inférieure étant pourvues de tubes d'échange
thermique, et une zone ~upérieure entourée par des parois
munies de tubes d'écha'nge thermique.
Il est connu que, pour obtenir une bonne efficacité de
désulfuration des fumées, la température du réacteur doit
'~20 être maintenue constante ~ une valeur proche de 850~C. Un
moyen efficace est d'instalIer des panneaux d'échange
thermique dans le réacteur et d'utiliser, pour maintenir
cette température, soit l'ajustement de la concentration en
matières solides par réglage des débits d'air primaire et
i25 secondaire, soit un débit variable de recyclage de gaz de
;combustion, soit le refroidissement des solides recyclés
dans des lits fluidisés denses extérieurs au réacteur.
Plusieurs agencements de tels panneaux sont connus~
~- des panneaux verticaux en forme de L suspendus en
;~ ~30 partie haute du réacteur à fonction de surchauffeur,
- des panneaux horizontaux en partie supérieure et
traversant le réacteur de part en part à fonction de
surchauffeur,
- des panneaux en forme de U suspendus au plafond du
35 r~acteur à fonction de surchauffeur,
-''"'"';;''.''
'--''.
2 2 1 3 ~
~ ~.
- des panneaux très larges fixés perpendiculairement à
la paroi du réacteur et parcourus par une émulsion, tels que
ceux équipant le réacteur de lit fluidisé d~crit dans le
brevet US-4 442 796,
- des panneaux de séparation du réacteur disposés sur
une hauteur partielle et présentant éventuellement des
ouvertures de communication, comme décrit dans le brevet US-
4 165 717.
Lorsque la puissance de l'installation augmente, il
10 est donc, selon l'art antérieur, estimé qu'il est nécess~;re
d'étendre l'implantation de ces panneaux d'échangeurs d'une
part en surface et d'autre part vers des niveaux de plus en
plus bas dans le réacteur avec corrélativement des risques
d'érosion augmentés en partie basse de ces panneaux soumis
15 au flux de particules solides, des risques de distorsion des
panneaux et des parois du fait des dilatations
différentielles augmentées par les hauteurs de panneaux
toujours supérieures et des risques de vibration.
~a pr~sente invention résout ces probl~mes d'érosion
20 et de distorsion tout en allant à l'encontre du préjugé
technique consistant à chercher à augmenter la surface des
panneaux d'échange thermique du réacteur.
Pour ce faire, conformément à l'invention, au moins
une paroi d'au moins une des dites zones est pourvue de
25 panneaux d'échange thermique verticaux dits extensions fixés
perpendiculairement ~ la paroi, formés de tubes d'échange
thermique, internes au réacteur, de largeur horizontale
comprise entre 150 et 500 mm et espacés les uns des autres
d'une distance comprise entre 1,5 et 4 fois leur largeur.
Les extensions sont peu larges et ainsi l'on évite les
voilements des parois du réacteur dûs aux efforts mécaniques
provoqués par des dilatations différentielles et ces
extensions se situent dans la couche descendante des
solides, comme il sera décrit plus précisément plus loin.
Dans le cas où les tubes d'échange thermique des
parois sont reliés par des ailettes, ladite largeur est
'~
- 3 2 ~
.
définie comme la distance entre la face interne des ailettes
des parois et la génératrice la plus éloignée du tube des
extensions le plus éloigné.
~i- Selon une première variante de fixation, les
5 extensions sont soudées de façon continue à la parois de la
zone.
Selon une seconde variante de fixation, les extensions
sont distantes de la paroi d'une distance inférieure à 60
; mm, cette distance étant la distance entre la face interne
lo des ailettes des parois et la génératrice du tube des
~i extensions le plus proche, les extensions étant supportées
; au moins en leur partie haute.
Avantageusement, les extensions sont réparties sur ~e
périm~tre interne du réacteur.
; 15Les extensions peuvent se situer sur toute la hauteur
du réacteur.
Selon un mode de réalisation préféré, les extensions
~' sont disposées sur toute la hauteur de la paroi de la zone
supérieure.
20Dan~ ce cas, les extensions partent du pla~ond du
réacteur et traversent en partie basse les parois inclinées
de la zone inferieure. Tout problème d'érosion est alors
; supprimé par rapport à l'art antérieur où des parties
horizontales dégagées sont soumises aux flux de particules
i 25 et sont donc érodées.
Afin d'augmenter leur résistance mécanique, les
extensions de tubes peuvent comporter des tubes auxiliaires
reli~s à l'extrémité libre des extensions, fixés en dehors
du plan de symétrie des extensions.
30Selon une variante de réalisation particulière, où le
réacteur comporte au moins un lit fluidisé dense interne, en
communication avec l'intérieur du réacteur par sa partie
supérieure~ qui recoit les matières solides tombant le long
des parois de la zone supérieure et les renvoie au moins en
35 partie par débordement vers la zone inférieure tout le long
et au-dessus des parois de d~versement, ce lit interne étant
",j ~
4 2 1 3 ~ ~. 6 ()
; ,
.
é~uipé de tubes d'échange reliés à leur partie basse ~ une
arrivée d'alimentation et à leur partie haute à une sortie
de dégagement, les tubes des extensions sont utilisés comme
tubes de sortie de dégagement de ceux équipant ce lit
5 interne.
L'invention est exposee ci-après plus en détail à
l'aide de figures ne représentant qu'un mode de réalisation
pré~érée. '~
La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un
10 réacteur à lit fluidisé circulant.
La ~igure 2 est une vue partielle en coupe verticale
d'une paroi de réacteur conforme à l'invention.
La figure 3A est une vue en coupe selon III-III de la -'
figure 2 et la figure 3B est une vue en coupe analogue selon '~
f 15 une variante. ~'
. - .
La figure 4A est une vue en coupe verticale d'un
réacteur conforme à l'inve~tion selon une variante de
réalisation et la figure 4B est une vue en détail de la
partie IV.
Les figures 5, 6 et 7 représentent en coupes
; partielles divers agencements de réacteurs conformes à
l'invention.
Sur la figure 1 qui correspond à un fonctionnement
classique de réacteur à lit circulant, ce dernier comporte
25 une zone inférieure 3 de section croissante vers le haut et
une zone supérieure parallélèpipèdique 2. La zone inférieure
3 est pourvue d'une grille de fluidisation 11, de moyens
d'injection d'air primaire 12 en-dessous de la grille 11, de
moyens d'injection d'air secondaire 13 au-dessus de la
30 grille 11 et de moyens d'introduction de combustible lo. Les
parois 5 entourant cette zone inférieure 3 sont pourvues de
tubes d'~change thermique. La zone supérieure 2 est
également entourée par des parois 4 munies de tubes
d'échange thermique.
Les particules solides s'élèvent au-dessus de la
grille 11 vers le haut du réacteur selon les ~lèches 6. Ces
.:
: .
~133~0
. .
~,, .
~iparticules tendent à s'écarter vers les parois 4, 5 et à
'retomber vers le bas. Toutefois, une partie des particules
les plus fines est réentra~née vers le haut, suivant des
mouvements tourbillonnaires tels que 7. Les autres
5 particules se rapprochent des parois 4, 5 et s'écoulent le
long de celles-ci vers le bas selon les flèches 8 où elles
forment une couche dense de solides.
'Des mesures de cette couche dense de solides le long
des parois indiquent qu'elle est d'épaisseur variable sur la
;10 hauteur du réacteur et selon la charge du réacteur, cette
épaisseur étant sensiblement comprise entre 50 et 500 mm.
L'invention consiste à réaliser des extensions de
' surfaces d'échange thermique de faible largeur noyées dans
~-cette couche de solides descendants et ainsi améliorer les
15 coefficients d'échange thermique des parois du réacteur.
Dans un réacteur classique sans extensions conformes à
l'invention, pour un coefficient global de 180 W/m2.~K,
approximativement une part de 100 W/m2. K est obtenue par
rayonnement et une part de 80 W/m2.'K par convection
20 relative aux particules solides. Grâce à l'invention, la
part relative à la convection est fortement augmentée et le
coef~icient global en conséquence.
En effet, les extensions conformes à l'invention
~.. .
entrainent une augmentation de l'épaisseur de la couche de
xolides le long des parois par ce que l'on peut appeler un
effet de coin. Il se crée en effet à la présence d'un coin
une surépaisseur de couche dûe à la forme arrondie que prend
naturellement la couche de solides à cet endroit. Grâce aux
extensions conformes à l'invention, un nombre important de
30 coins est créé et l'épaisseur de solides est d'autant
augmentée. La concentration moyenne en solides est donc
artificiellement augmentée dans la cavité délimitée entre
deux extensions par rapport à une simple paroi plane, ce ~ui
améliore le coefficient d'échange.
Par ailleurs, les extensions conformes à l'invention
présentent deux faces d'échange ce qui augmente la surface
:~ ; :
6 2~3~6~ :
.
.,,.;.
; d'échange globale du réacteur et donc améliore également le
; coefficient d'échange.
Les figures 2 et 3A représentent un exemple de
r~alisation d'une extension conforme à l'invention.
Ces extensions sont dle préférence réalisées de façon
classi~ue, c'est-à-dire constituées de tubes reliés par des
ailettes planes. A la paroi 4 pourvue de tubes d'échange
longitudinaux 9 sont adjointes des extensions 14
perpendiculaires à la paroi 4 et internes au réacteur.
10 L'extension 14 représentée comporte trois tubes d'échange
verticaux 15 noyés et protégés en partie haute et basse par
~. . ,
des couches de b~ton 16. Les tubes 15 comme d'ailleurs les
- tubes 9 sont reliés les uns aux autres par des ailettes
planes soudées 20. Les tubes 15 sont alimentés en émulsion
15 eau-vapeur'en partie basse par une arrivée d'alimentation et i
en partie haute, ils sont reliés à une sortie 19. Afin
-i~d'éviter les dilatations différentielles, ces tubes 15 sont
alimentés par une émulsion.
Selon l'invention, les extensions 14 fixées
~;20 perpendiculairement au moins ~ une paroi 4, 5 d'au moins une
des zones 2, 3, formées de tubes 15, internes au réacteur,
sont de largeur l horizontale comprise entre 150 et 500 mm '-
et espacées les unes des autres d'une distance D comprise "~
entre 1,5 et 4 fois leur largeur, cette largeur étant -~
25 définie comme la distance entre la face interne des ailettes
30 de la paroi 4, 5 et la génératrice la plus éloignée du
'tube 15A des extensions le plus éloigné.
-Les extensions peuvent être soudées de façon continue
à la paroi 4, 5 des zones 2, 3, comme représenté sur la
figure 2, ou être distantes des parois 4, 5 d'une distance d
inf~rieure à 60 mm, cette distance étant la distance entre
la face interne des ailettes 30 des parois et la génératrice ; '
du tube 15B le plus proche, ce qui revient à supprimer la
première ailette 20A des extensions et à supporter ces
35 extensions en leur partie haute et éventuellement en leur ~
partie basse. ~;
,:
~, . . . ~ .
~ ~ 7 ~ 4~ ~ ~
Les extensions 14 de tubes 15 peuvent comporter des
tubes auxiliaires 15C reliés à l'extrémité libre 14A des
extensions 14, fixés en dehors du plan de symétrie des
extensions 14, afin de renforcer la tenue mécanique des
5 extensions 14, comme par exemple représenté sur la figure
3B.
La figure 4A représente un agencement des extensions
conformes à l'invention particulièrement avantageux.
Il est connu, par exemple de la demande de brevet
français n~2 690 512 déposée par la Déposante, d'équiper le
réacteur de lits fluidisés denses internes 22, 23. Ces lits
fluidisés denses 22, 23 sont en communication avec
l'intérieur du réacteur par leur partie supérieure qui
reçoit les matieres solides tombant le long des parois 4 de
la zone supérieure 2 et les renvoie au moins en partie par
débordement vers la zone inférieure 3 tout le long et au-
dessus des parois de déversement 28, 29. Ces lits internes
22, 23 ont leur paroi équipée de tubes d'échange reliés à
leur partie basse à une arrivée d'alimentation et à leur
20 partie haute ~ une sortie de d~gagement. Eventuellement, ces
; lits comportent egalement des tubes d'échange immergés.
Avantageusement, les tubes des extensions 14 conformes ~
l'invenkion peuvent être utilisés comme tubes de sortie de
dégagement de ceux constituant les parois ces lits 22, 23 et
25 éventuellement de ceux immergés dans ces lits 22, 23, ce qui
évite une traversée de la paroi 4 avec les risques d'érosion
que cela comporte, les tubes de sortie de dégagement étant
verticaux et non plus horizontauxO La figure 4B représente
un exemple de liaison en sortie de dégagement des tubes
30 d'échange 24 équipant le lit interne 22 et des tubes 15
d'une extension 14.
Selon ce mode de réalisation, chaque lit interne 22,
23 se trouve installé entre au moins deux extensions 14 et
il en résulte un autre effet et avantage technique de
l'invention. En effet, les espaces entre extensions 14
forment des canaux ou ChA-; ns de chute 21 des solides vers
. , , - , . . . ..
~................. 8 2~ 3 ~6~
; ~ . ' ,
.~ les lits 22, 23 et entraine une augmentation du débit des
~ solides descendants vers ceux-ci. Les lits internes 22, 23 :~
:~ étant reliés à des échangeurs externes, ceux-ci sont
.. alimentés par un débit supé:rieur de solides, ce qui améliore
.~ 5 l'échange et permet de diminuer sensiblement la taille de ~
,;'" ces échangeurs externes. ..
:~ Sur les figures 5 ~ 7, sont décrits plusieurs :
agencements possibles des extensions 14. Le réacteur est
pourvu de façon classique d'un cyclone 31. Les extensions 14 ~:~
10 é~uipées de tubes 15 sont disposées sur toute le hauteur de :
la paroi 4 de la zone supérieure 2 du réacteur, sur un ou :
. plusieurs côtés de cette zone 2. Dans ce cas, les extensions
partent du plafond du réacteur et traversent en partie basse . '~
les parois 5 inclinées de la zone inf~rieure 3. Tout::
~" 15 problème d'érosion est alors supprimé par rapport à l'art ' .
~'~ antérieur, plus aucune partie horizontale dégagée n'étant :
soumise aux flux de particules.
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