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EP0292406A1 - Procédé de production d'un fluide chaud et chaudière pour l'exécution de ce procédé - Google Patents

Procédé de production d'un fluide chaud et chaudière pour l'exécution de ce procédé Download PDF

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Publication number
EP0292406A1
EP0292406A1 EP88401248A EP88401248A EP0292406A1 EP 0292406 A1 EP0292406 A1 EP 0292406A1 EP 88401248 A EP88401248 A EP 88401248A EP 88401248 A EP88401248 A EP 88401248A EP 0292406 A1 EP0292406 A1 EP 0292406A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
smoke
aforementioned
boiler
fluid
reactor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP88401248A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Lucien Tua
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CNIM Groupe SA
Original Assignee
Constructions Industrielles de la Mediterrane CNIM SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Constructions Industrielles de la Mediterrane CNIM SA filed Critical Constructions Industrielles de la Mediterrane CNIM SA
Publication of EP0292406A1 publication Critical patent/EP0292406A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B31/00—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements or dispositions of combustion apparatus
    • F22B31/0007—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements or dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed
    • F22B31/0046—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements or dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed for boilers of the shell type, e.g. with furnace box
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/24—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers
    • F24H1/26—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body
    • F24H1/28—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body including one or more furnace or fire tubes
    • F24H1/285—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water mantle surrounding the combustion chamber or chambers the water mantle forming an integral body including one or more furnace or fire tubes with the fire tubes arranged alongside the combustion chamber

Definitions

  • the present invention generally relates and essentially relates to a process for producing a hot fluid or heating a heat-transfer fluid with or without change of phase or physical state and a device forming a boiler for carrying out this process .
  • the invention also relates to the various applications and uses resulting from the implementation of the aforementioned method and / or device as well as the various systems, apparatuses, equipment or installations provided with such devices.
  • a process for producing a hot liquid such as hot water for example, of the type consisting in heating said liquid by indirect heat exchange with flue gases or gases and possibly flames emanating from the combustion of a body and passing through the mass of said liquid according to several separate currents or flow paths, in particular substantially parallel and preferably substantially vertical.
  • boilers are also known, in particular of small capacity, for example with a useful thermal power of up to 10 MW, fitted to industrial or collective heating boilers and burning particularly solid fuels.
  • the main object of the present invention is to eliminate the aforementioned drawbacks by creating a process for producing a hot liquid, such as a hot liquid for example, of the kind mentioned at the start and characterized in that the fumes, in each path to flame, after having crossed the mass of fluid, for example liquid in one direction, are purified and then cross said mass in the opposite direction, then carrying out several successive passages through it alternately in opposite directions, each time according to several separate derived smoke flow paths, different for each passage, before being evacuated while the separate dusts are brought back to the combustion space.
  • a hot liquid such as a hot liquid for example
  • the smoke streams are preferably substantially vertical and, according to another characteristic of the invention, the abovementioned purification of the fumes is carried out by centrifugal static separation of the dusts while the aforementioned return of the dusts eliminated to the combustion space s' performs by gravity.
  • the combustion is preferably carried out in a fluidized bed and, according to yet another characteristic of the invention, the solid fuel is injected into the return flow of the above-mentioned eliminated dust.
  • the fluid in particular liquid to be heated can flow either by natural circulation of the so-called “pool-boiling" type or for example by thermo-siphon or with forced circulation and, in the latter case according to yet another characteristic of the invention, that -This is achieved by a discharge of said fluid, in particular liquid, in forced guidance in a flow preferably at least approximately helical in an annular layer around the aforementioned flame path.
  • the abovementioned purification of the fumes can be carried out either outside or inside the aforementioned flame path.
  • the invention also relates to a device for carrying out the aforementioned method, consisting of a boiler forming a hot fluid generator, of the type substantially substantially cylindrical tubular generally vertical with a body forming a fluid, for example liquid enclosure, disposed above the hearth and traversed by a tubular bundle composed of substantially parallel smoke tubes, opening at the upper part of said body in a smoke box and integral, by their opposite ends, with two respectively lower and upper tube plates forming part of the bottoms of said body.
  • a device for carrying out the aforementioned method consisting of a boiler forming a hot fluid generator, of the type substantially substantially cylindrical tubular generally vertical with a body forming a fluid, for example liquid enclosure, disposed above the hearth and traversed by a tubular bundle composed of substantially parallel smoke tubes, opening at the upper part of said body in a smoke box and integral, by their opposite ends, with two respectively lower and upper tube plates forming part of the bottoms of said body.
  • the outlet of the dust or particles collected from the aforementioned cyclone communicates with the hearth in the aforementioned lower part of the reactor.
  • the device according to the invention therefore consists of an integrated assembly obtained basically by the combination of a smoke tube boiler with combustion equipment preferably in a mobile or circulating fluidized bed, provided with a fly ash separator cyclone , the boiler being able to be fitted, according to the desired use case, to generate hot water in particular superheated or steam, for example saturated at low pressure, the circulation of cold fluid to be heated, consisting for example of water or an emulsion of water and water vapor, which can be natural or forced, that is to say under pressure, being assisted using pumps in particular food while the circulation of the hot fluid constituted by the fumes or combustion gases can be carried out either under pressure in particular by means of a discharge fan or preferably light depression using a suction by a draft fan.
  • a single supply fan which conveys the combustion air generally sucked in at room temperature and then the combustion gases while maintaining the entire air-smoke circuit in overpressure until at the base of the chimney or the flue outlet.
  • a second fan or blowing fan is necessary upstream of the circuit to supply the combustion chamber or the hearth with combustion air at through the heating equipment and ensure the mixing of air with fuel.
  • the boiler is of the multi-fuel type capable of burning a wide variety of solid fuels, in particular fossils or others such as coal or coals (fine or general), peat, lignite, cellulosic fuels, various waste but also liquid fuels such as fuel oil or gaseous such as natural gas; - the boiler accepts in particular all qualities of coals (national or imported); - It achieves a satisfactory combustion efficiency; - it allows for a modulation of the coal supply from 25% to 100%; - it makes it possible to reduce, to the admissible or tolerable level imposed by official regulations for the protection of the environment, polluting emissions by controlling them if necessary by the possible addition of limestone in particular for sulfur dioxide emissions.
  • the invention also offers multiple possibilities for industrial applications, in particular for: - the realization of boiler rooms which can burn sulfurous coals (Gardanne coals) and / or solid residues (wood and waste); - the production of boiler rooms subject to compliance with environmental protection regulations and intended in particular for hospital heating, district heating or for small industries in urban areas.
  • the boiler according to the invention consists essentially of a heat exchanger 2 and a hearth or a combustion chamber 3.
  • the heat exchanger includes heat exchange surfaces delimiting two main circuits, one for the hot fluid constituted by the combustion gases and the other for the cold fluid constituted for example by a liquid such as water or a water-vapor emulsion of water then water vapor.
  • the heat exchanger comprises a generally vertical cylindrical enclosure 4 forming a container of water, delimited by an external envelope consisting essentially of a ferrule, in particular of sheet metal of large dimensions and of two respectively upper and lower end bottoms comprising respectively two plates.
  • tubular 5 and 6 substantially parallel and horizontal between which are installed the smoke tubes 7 intended to be traversed by the combustion gases and bathed by the fluid, for example liquid such as water filling said enclosure.
  • the aforementioned tubular plates 5,6 are assembled to the shell 4 preferably by welding. Sampling of the ferrule and the tubular plates is carried out according to the dimensions and the temperature and pressure conditions prevailing inside the aforementioned enclosure.
  • the tubular bundle is composed of vertical tubes connected to the tubular plates in particular by welding or by swaging.
  • a substantially vertical metallic cylindrical reactor tube, preferably of steel, 8 extends inside the enclosure 4, practically over at least the entire height thereof, being surrounded at least partially by the tubular plates 5, 6 respectively above and below.
  • the upper tube plate 5 is surmounted or capped by a smoke box 9 covering the entire upper surface of the tube plate 5 and limited to the peripheral outline thereof while the lower tube plate 6 surmounts a lower smoke box 10 covering the underside of this tube plate limited to the peripheral outline thereof.
  • the reactor tube 8 extends downwards outside the enclosure 4, thus being constituted by two distinct sections or portions, namely: - An upper section 8a fully submerged in the water contained in the enclosure or tank 4 and where the heat is transferred from the reactor tube to the water; and - A lower section 8b containing the hearth or the combustion chamber comprising a movable mechanical grid (not shown) supporting the active area of the fluidized bed.
  • This fluidization grid may be of a slightly concave shape or be inclined in one direction, so as to favor the flow or the progression and the extraction of the ashes.
  • the upper or internal section 8a of the reactor tube which is subjected to an external pressure exerted by the water bathing it, may include external stiffeners according to the operating conditions and the size of the installation.
  • the connections between the reactor tube 8 and the upper 5 and lower 6 tube plates respectively are made either directly by welding or by the intermediary of an expansion bellows for example.
  • the lower or outer section 8b of the reactor tube which is constituted by the extension of the latter downwards under the tank 4, can be walled either cooled or uncooled.
  • this lower section comprises a double wall defining an intermediate annular space for circulation of a cooling fluid such as water for example or a single wall internally provided with a refractory lining 12 (see FIGS. 4 and 5) .
  • the upper end part of the reactor tube 8 communicates, by a lateral duct 13 preferably provided with an internal refractory lining, with a cyclone 14 placed outside the body 4 of the boiler and effecting the capture and the separation of the solid particles contained in the smoke at the upper outlet of the reactor tube.
  • the conduit 13 is connected in such a way to the cylindrical body for rotating 14a of the cyclone 14 so that the mixture of smoke and dust or solid particles enters tangentially into this cylindrical body for rotating which may include one or more such mixing inlet openings.
  • This cylindrical rotational body 14a is extended downwards by a conical body 14b for the fall of separated or eliminated solid particles, which descend by gravity along a vertical duct 15 advantageously provided, at its lower end, with a siphon 16 connected by a conduit 17 to the interior space 18 of the lower section 8b of the reactor tube.
  • the upper upper part of the cyclone comprises a central tube 19 for the outlet of the purified smoke, which is connected to the upper smoke box 9.
  • This external cyclone 14 can be either of the hot type comprising in particular a metallic envelope in particular of steel and internally lined with a thermally insulating refractory lining (see FIG. 4) or of the double-walled type defining an intermediate annular space for circulation of a gaseous or liquid coolant, such as air or water for example.
  • a gaseous or liquid coolant such as air or water for example.
  • the upper smoke box 9 communicates, at a location specified below, with a duct 20 connected to a dust collector 21 provided with a smoke evacuation orifice 22 possibly connected to a chimney or a flue (see FIGS. 2 and 3).
  • Fuel for example solid such as coal
  • Fuel is preferably first stored in an unloading pit 23 from which it reaches a feed hopper 24 (see FIGS. 2 and 3) connected to its lower part by a conduit 25 to the conduit 17 downstream of the sealing siphon 16, so that the solid fuel is thus injected into the flow of dust returning to the combustion space 18.
  • the conduit 25 can lead directly into the hearth 18, so that the solid fuel will then be injected directly into the hearth, preferably through a variable speed fuel system (see Figure 5).
  • the cyclone 14 ′ is disposed directly inside the reactor tube and made of refractory materials such as refractory steel or other materials resistant to high temperatures.
  • the reactor tube is advantageously surrounded coaxially, preferably over its entire height, by a jacket 26 radially spaced from the reactor towards the outside and delimiting, with the latter an intermediate annular space 27 for forced circulation of liquid, this jacket thus extends over the entire length of the reactor tube 8, that is to say on its internal upper section 8a and on its external lower section 8b ( thus helping to cool the hearth) as shown in Figure 5.
  • the liquid such as water enters the boiler by entering the annular space 27 through the lower end thereof and out of this annular space through the upper extreme part of the latter to enter the liquid enclosure of the body 4.
  • a baffle (not shown) is advantageously placed in the annular space 27 around the reactor tube 8 to thereby force the water to circulate in a guided way around the reactor tube.
  • the jacket 26 may be integral with the reactor tube 8 or not integral with the latter if the differential expansions are too great.
  • the inner cyclone 14 ′ has, at its lower part, a vertical central duct 15 ′, substantially coaxial with the reactor tube 8 and extending downwards until it penetrates into the outer lower section 8b of the reactor tube, so as to pour the captured dust or particles falling from the interior cyclone and thus returning to the hearth 18.
  • FIG. 6 represents a cross section of the reactor tube at the level of the interior cyclone and the arrows there represent the tangential inputs of the smoke laden with dust coming from the reactor in the cyclone and their paths in it.
  • the tube bundle 7 is composed of two groups of smoke tubes opening respectively, by their upper ends through the upper tube plate 5, into two separate adjacent compartments 9a and 9b of the box. smoke flue 9. These two groups of smoke tubes open respectively by their lower ends through the lower tube plate 6 into the common cavity of the lower smoke box 10.
  • combustion in particular in a fluidized bed in the hearth produces flames and fumes which rise in the reactor tube 8 while yielding their sensible heat to the water bathing it.
  • these fumes charged with dust or fly ash leave the reactor tube 8 through at least one orifice 29 passing through the side wall of the reactor tube to penetrate by at least one connecting duct 13 into the cyclone 14 or 14 ′ Where the fumes are purified, that is to say free of their dust.
  • the path rising fumes in the reactor tube is symbolized by the arrow 30 in FIG. 1.
  • the purified fumes leave the cyclone 14,14 ′ via its central upper outlet tube 19 to enter the upper smoke box 9 by entering the first compartment 9a of the latter along the path symbolized by the arrow 31. From compartment 9a, the purified fumes pass by descending the first group of smoke tubes along the vertical descending path symbolized by the arrow 32 thereby yielding their sensible heat with the water bathing the smoke tubes of this group to then penetrate below into the lower smoke box 10 from which they rise through the second group of smoke tubes along the upward vertical path symbolized by the arrow 33 in y also yielding their heat sensitive to the water bathing the smoke tubes of this group, finally leading to the second compartment 9b of the upper smoke box 9 and being evacuated from the boiler by the conduit 20 which brings them to the dust collector 21 from which they escape through the orifice 22.
  • the oxidizing and fluidizing air is brought to the hearth by a fan, in particular a preferably centrifugal blower 34, through a discharge duct 35.
  • the heating rate is modulated by varying the fuel flow and the air flow simultaneously.
  • the temperature of the fluidized bed, at intermediate speeds, is adjusted by acting on the proportions of primary air and secondary air at the different injection levels.
  • auxiliary burner On the wall of the hearth or external lower section of the reactor tube are arranged at least one auxiliary burner, lances for injecting auxiliary fuel, the instruments in particular for measuring pressure and temperature, the fitting fittings, circulation pumps. if necessary and an ash extraction system.
  • the auxiliary fuel is used for starting (up to the suitable temperature of the fluidized bed to promote combustion of the latter) or as occasional back-up and is burned in the auxiliary burner installed in the lower part of the reactor tube.
  • the ash extraction under the reactor tube is carried out continuously or intermittently depending on the pressure drop through the fluidized bed, by means of a system of pipes 36 opening into a collection well 37 ( Figure 2) into which also opens the dust outlet duct 38 connected to the lower part of the dust collector 21.
  • the ash extractor is advantageously a volumetric extractor with variable speed and double wall cooled by water circulation for example.
  • the efficiency and the economic character of the present invention are attributable in particular to the fact that the fumes, charged with dust, leave the reactor tube in the upper part to then pass through the cyclone where they are purified and then flow vertically from top to bottom then from bottom at the top inside the smoke tubes, the smoke outlet being either in the lower part or in the upper part of the boiler depending on the number of passages.

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Abstract

L'invention concerne un procédé et une chaudière (1) de production d'un fluide par exemple liquide chaud à corps (4) rempli dudit fluide disposé au-dessus du foyer (8b) et traversé par des tubes à fumée (7).
La chaudière comporte une gaine cylindrique verticale (8) formant réacteur traversant le corps (4) sur toute sa hauteur et se prolongeant vers le bas à l'extérieur et en dessous par une partie inférieure (8b) formant foyer, cette gaine étant entourée au moins partiellement par les tubes à fumée (7) débouchant, par leurs extrémités opposées, dans des boîtes à fumée respectivement supérieure (9) et inférieure (10). Le réacteur (8) communique en haut avec un cyclone (14) dont la sortie de poussières (15-17) débouche dans le foyer (8b) tandis que sa sortie supérieure de fumées épurées est reliée à un premier compartiment (9a) de la boîte à fumée supérieure (9) communiquant avec un premier groupe de tubes à fumée qui communique à son extrémité inférieure par l'intermédiaire de la boîte à fumée inférieure (10) avec un second groupe de tubes à fumée débouchant en haut dans un second compartiment (9b) de la boîte à fumée supérieure relié à un conduit (20) d'évacuation des fumées, lesquelles effectuent ainsi deux passages respectivement descendant et ascendant à travers les tubes à fumée (7).
L'invention est applicable à des chaudières de petites capacités équipant des chaufferies industielles ou de chauffage collectif et brûlant des combustibles solides notamment en lit fluidisé.

Description

  • La présente invention concerne généralement et a essentiellement pour objet un procédé de production d'un fluide chaud ou de chauffage d'un fluide caloriporteur avec ou sans changement de phase ou d'état physique et un dispositif formant chaudière pour l'exécution de ce procédé. L'invention se rapporte également aux diverses applications et utilisations résultant de la mise en oeuvre du procédé et/ou du dispositif précités ainsi que les divers systèmes, appareils, équipements ou installations pourvus de tels dispositifs.
  • Dans l'état de la technique antérieure, on connaiît déjà un procédé de production d'un liquide chaud tel que de l'eau chaude par exemple, du type consistant à chauffer ledit liquide par échange de chaleur indirect avec des fumées ou gaz brûlés et éventuellement des flammes émanant de la combustion d'un corps et traversant la masse dudit liquide selon plusieurs courants ou voies d'écoulement distincts notamment sensiblement parallèles et de préférence sensiblement verticaux. Pour mettre ce procédé connu en oeuvre, on connaît aussi des chaudières notamment de petite capacité, par exemple d'une puissance thermique utile pouvant atteindre 10 MW, équipant des chaufferies industrielles ou de chauffage collectif et brûlant des combustibles en particulier solides.
  • Ces petites chaudières sont actuellement du type à combustion :
    - sur grille,
    - sur sole tournante,
    - dans foyer à chargement automatique par vis sans fin de transport de combustible et d'alimentation de la grille en combustible,
    - en lit fluidisé dense.
  • Ces petites chaudières connues présentent notamment les inconvénients suivants :
    - elles ne permettent de brûler que des charbons ou combustibles solides analogues soigneusement calibrés;
    - elles ne sont adaptées qu'à une seule qualité de charbon ;
    - elles ont de mauvais rendements de combustion;
    - elles ne permettent pas de grande modulations de charge ;
    - elles ne permettent pas de contrôler ni de réduire les émissions polluantes (notamment chargées en anhydride sulfureux et en oxydes d'azote) à l'atmosphère.
  • La présente invention a principalement pour but de supprimer les inconvénients précités en créant un procédé de production d'un liquide chaud, tel qu'un liquide chaud par exemple, du genre mentionné au début et caractérisé en ce que les fumées, dans chaque voie à flamme, après avoir traversé la masse de fluide par exemple liquide dans un sens, sont épurées puis retraversent ladite masse en sens inverse en effectuant ensuite plusieurs passages successifs à travers celle-ci alternativement en sens contraires, chaque fois selon plusieurs voies d'écoulement de fumée dérivées distinctes, différentes pour chaque passage, avant d'être évacuées tandis que les poussières séparées sont ramenées à l'espace de combustion.
  • Les courants de fumée sont de préférence sensiblement verticaux et, selon une autre caractéristique de l'invention, l'épuration précitée des fumées est réalisée par séparation statique centrifuge des poussières tandis que le retour précité des poussières éliminées à l'espace de combustion s'effectue par gravité.
  • La combustion s'effectue de préférence en lit fluidisé et, selon encore une autre caractéristique de l'invention, le combustible solide est injecté dans le flux de retour des poussières éliminées précitées.
  • Le fluide notamment liquide à chauffer peut s'écouler soit par circulation naturelle du type dit "pool-boiling" ou par exemple en thermo-siphon ou à circulation forcée et, dans ce dernier cas suivant encore une autre caractéristique de l'invention, celle-ci est réalisée par un refoulement dudit fluide en particulier liquide en guidage forcé selon un flux de préférence au moins approximativement hélicoïdal en une couche annulaire autour de la voie à flamme précitée.
  • Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'épuration précitée des fumées peut s'effectuer soit à l'extérieur ou à l'intérieur de la voie à flammes précitée.
  • L'invention vise également un dispositif pour l'exécution du procédé précité, constitué par une chaudière formant générateur de fluide chaud, du type de préférence sensiblement cylindrique tubulaire généralement vertical à corps formant enceinte à fluide par exemple liquide, disposé au-dessus du foyer et traversé par un faisceau tubulaire composé de tubes à fumée sensiblement parallèles, débouchant à la partie supérieure dudit corps dans une boîte à fumée et solidaires, par leurs extrémités opposées, de deux plaques tubulaires respectivement inférieure et supérieure faisant partie des fonds dudit corps.
  • Cette chaudière conforme à l'invention est caractérisée par :
    • a) une gaine cylindrique sensiblement verticale formant réacteur traversant, par sa partie supérieure formant tube à flammes, ledit corps notamment sur au moins toute sa hauteur et se prolongeant vers le bas à l'extérieur et en dessous dudit corps par une partie inférieure contenant ledit foyer ou une chambre de combustion, ladite gaine étant entourée au moins partiellement par le faisceau tubulaire précité ;
    • b) une boîte à fumée inférieure dans laquelle débouchent lesdits tubes à fumée ;
    • c) un compartimentage par cloisonnement d'au moins la boîte à fumée supérieur ;
    • d) une répartition desdits tubes à fumée en plusieurs groupes distincts successifs formant respectivement des voies de circulation de fumée en sens alternativement contraires, deux groupes successifs formant voies de circulation respectivement descendante et ascendante débouchant respectivement dans deux compartiments séparés de la boîte à fumée supérieure et dans un compartiment commun associé de la boîte à fumée inférieure tandis que deux groupes successifs formant voies de circulation respectivement ascendante et descendante débouchent dans un compartiment commun associé de la boîte à fumée supérieure et respectivement dans deux compartiments séparés de la boîte à fumée inférieure, le dernier compartiment d'une boîte à fumée, dans lequel débouche, par son extrémité aval, le dernier groupe terminant le trajet des fumées dans ledit corps, communiquant avec un conduit d'évacuation des fumées ;
    • e) un cyclone dont l'entrée des fumées à épurer communique avec ledit réacteur à la partie extrême supérieure de ce dernier et dont la sortie des fumées épurées communique avec la boîte à fumée supérieure en débouchant dans le compartiment communiquant avec le premier groupe de tubes à fumée formant voie de circulation descendante.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, la sortie des poussières ou particules captées du cyclone précité communique avec le foyer dans la partie inférieure précitée du réacteur.
  • Le dispositif conforme à l'invention est donc constitué par un ensemble intégré obtenu fondamentalement par la combinaison d'une chaudière à tubes de fumées avec un équipement de combustion de préférence en lit fluidisé mobile ou circulant, pourvu d'un cyclone séparateur de cendres volantes, la chaudière pouvant être aménagée, selon le cas d'utilisation désiré, pour engendrer de l'eau chaude notamment surchauffée ou de la vapeur d'eau par exemple saturée à basse pression, la circulation du fluide froid à chauffer, constitué par exemple par de l'eau ou une émulsion d'eau et de vapeur d'eau, pouvant être naturelle ou forcée c'est-à-dire sous pression en étant assistée à l'aide de pompes notamment alimentaires tandis que la circulation du fluide chaud constitué par les fumées ou gaz de combustion peut s'effectuer soit en pression en particulier au moyen d'un ventilateur soufflant de refoulement ou en dépression de préférence légère à l'aide d'une aspiration par un ventilateur de tirage. Dans le cas d'une circulation sous pression, il est possible de prévoir un ventilateur de soufflage unique qui véhicule l'air comburant généralement aspiré à la température ambiante et ensuite les gaz de combustion en maintenant tout le circuit air-fumées en surpression jusqu'à la base de la cheminée ou du carneau d'évacuation des fumées. Dans le cas de l'emploi d'un ventilateur de tirage aspirant les gaz en aval du circuit de fluide chaud, un second ventilateur ou ventilateur de soufflage est nécessaire en amont du circuit pour alimenter la chambre de combustion ou le foyer en air comburant à travers l'équipement de chauffe et assurer le mélange de l'air avec le combustible.
  • L'utilisation de la technique de combustion en couche ou lit fluidisé circulant permet d'assurer une combustion complète avec de faibles émissions de substances polluantes, telles que l'anhydride sulfureux et des oxydes d'azote à l'atmosphère.
  • L'invention produit les effets techniques et résultats industriels avantageux suivants :
    - la chaudière est du type polycombustible capable de brûler une grande variété de combustibles solides notamment fossiles ou autres tels que la houille ou les charbons (fines ou tout-venant), tourbes, lignites, combustibles cellulosiques, déchets divers mais aussi des combustibles liquides tels que le mazout ou gazeux tels que le gaz naturel ;
    - la chaudière accepte en particulier toutes qualités de charbons (nationaux ou importés) ;
    - elle permet d'atteindre un rendement de combustion satisfaisant ;
    - elle permet de réaliser une modulation de l'alimentation en charbon de 25 % à 100 % ;
    - elle permet de réduire, au niveau admissible ou tolérable imposé par les réglementations officielles pour la protection de l'environnement, les émissions polluantes en les contrôlant au besoin par adjonction éventuelle de calcaire en particuler pour les émissions d'anhydride sulfureux.
  • L'invention offre aussi de multiples possibilités d'applications industrielles, notamment pour :
    - la réalisation de chaufferies pouvant brûler des charbons sulfureux (charbons de Gardanne) et/ou des résidus solides (bois et déchets) ;
    - la réalisation de chaufferies soumises au respect des réglementations pour la protection de l'environnement et destinées en particulier au chauffage d'hôpitaux, au chauffage urbain ou à de petites industries en zone urbaine.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs illustrant deux modes de réalisation spécifiques actuellement préférés de l'invention et dans lesquels :
    • la figure 1 représente une vue fragmentaire en perspective montrant le principe de constitution d'une chaudière conforme à l'invention à cyclone extérieur ;
    • la figure 2 est une vue extérieure de face en élévation, à plus petite échelle, d'une installation générale comportant la chaudière précitée ;
    • la figure 3 est une vue de dessus de cette installation ;
    • la figure 4 est une vue de côté gauche en élévation de cette installation partiellement en coupe;
    • la figure 5 est une vue semblable à la figure 4 mais représentant une variante de réalisation de la chaudière précitée ; et
    • la figure 6 est une vue en coupe transversale selon la ligne de section VI-VI de la figure 5
  • Selon l'exemple de réalisation représenté sur le schéma de principe de la figure 1, la chaudière conforme à l'invention, généralement désignée par le chiffre de référence 1, se compose essentiellement d'un échangeur de chaleur 2 et d'un foyer ou d'une chambre de combustion 3. L'échangeur de chaleur comprend des surfaces d'échange thermique délimitant deux circuits principaux, l'un pour le fluide chaud constitué par les gaz de combustion et l'autre pour le fluide froid constitué par exemple par un liquide tel que l'eau ou une émulsion eau-vapeur d'eau puis la vapeur d'eau.
  • L'échangeur de chaleur comprend une enceinte cylindrique généralement verticale 4 formant récipient d'eau, délimitée par une enveloppe externe constituée essentiellement d'une virole notamment en tôle de grandes dimensions et de deux fonds d'extrémité respectivement supérieur et inférieur comportant respectivement deux plaques tubulaires 5 et 6 sensiblement parallèles et horizontales entre lesquelles sont implantés les tubes de fumées 7 destinés à être parcourus par les gaz de combustion et baignés par le fluide par exemple liquide tel que l'eau remplissant ladite enceinte. Les plaques tubulaires précitées 5,6 sont assemblées à la virole 4 de préférence par soudage. L'échantilonnage de la virole et des plaques tubulaires est effectué en fonction des dimensions et des conditions de température et de pression régnant à l'intérieur de l'enceinte précitée. Le faisceau tubulaire est composé de tubes verticaux reliés aux plaques tubulaires notamment par soudage ou par dudgeonnage.
  • Un tube réacteur cylindrique métallique, de préférence en acier, sensiblement vertical 8 s'étend à l'intérieur de l'enceinte 4, pratiquement sur au moins toute la hauteur de celle-ci en étant entouré au moins partiellement par les plaques tubulaires 5,6 respectivement en haut et en bas.
  • La plaque tubulaire supérieure 5 est surmontée ou coiffée par une boîte à fumée 9 recouvrant toute la surface supérieure de la plaque tubulaire 5 et limitée au contour périphérique de celle-ci tandis que la plaque tubulaire inférieure 6 surmonte une boîte à fumée inférieure 10 recouvrant la face inférieure de cette plaque tubulaire en étant limitée au contour périphérique de celle-ci.
  • L'ensemble de cette structure est autoportant et repose par sa partie inférieure sur des supports appropriés tels que des montants, poteaux ou colonnes analogues 11 (voir figures 2 à 5).
  • Le tube réacteur 8 se prolonge vers le bas en dehors de l'enceinte 4 en étant ainsi constitué par deux tronçons ou portions distincts, à savoir :
    - un tronçon supérieur 8a entièrement submergé dans l'eau contenue dans l'enceinte ou cuve 4 et où se fait le transfert de chaleur du tube réacteur à l'eau ; et
    - un tronçon inférieur 8b contenant le foyer ou la chambre de combustion comportant une grille mécanique mobile (non représentée) supportant la zone active du lit fluidisé.
  • Cette grille de fluidisation peut être d'une forme légèrement concave ou être inclinée dans un sens, de façon à favoriser l'écoulement ou la progression et l'extraction des cendres.
  • Le tronçon supérieur ou interne 8a du tube réacteur, qui est soumis à une pression extérieure exercée par l'eau le baignant, peut comporter des raidisseurs extérieurs selon les conditions de fonctionnement et la taille de l'installation.
  • Les liaisons entre le tube réacteur 8 et les plaques tubulaires respectivement supérieure 5 et inférieure 6 se font soit directement par soudage ou par l'intermédiare d'un soufflet de dilatation par exemple.
  • Le tronçon inférieur ou externe 8b du tube réacteur, qui est constitué par la prolongation de ce dernier vers le bas sous la cuve 4, peut être à paroi soit refroidie ou non refroidie. Dans le premier cas, ce tronçon inférieur comporte une double paroi définissant un espace annulaire intermédiaire de circulation d'un fluide refroidisseur tel que l'eau par exemple ou une paroi simple intérieurement garnie d'un revêtement réfractaire 12 (voir figure 4 et 5).
  • La partie extrême supérieure du tube réacteur 8 communique, par un conduit latéral 13 de préférence garni d'un revêtement réfractaire interne, avec un cyclone 14 placé extérieurement au corps 4 de la chaudière et effectuant la captation et la séparation des particules solides contenues dans les fumées à la sortie supérieure du tube réacteur. Le conduit 13 est raccordé de telle façon au corps cylindrique de mise en rotation 14a du cyclone 14 de manière à ce que le mélange de fumées et de poussière ou particules solides entre tangentiellement dans ce corps cylindique de mise en rotation qui peut comporter une ou plusieurs telles ouvertures d'entrée du mélange. Ce corps cylindrique de mise en rotation 14a se prolonge vers le bas par un corps conique 14b de chute des particules solides séparées ou éliminées, lesquelles descendent par gravité le long d'un conduit vertical 15 avantageusement pourvu, à sa partie extrême inférieure, d'un siphon d'étanchéité 16 relié par un conduit 17 à l'espace intérieur 18 du tronçon inférieur 8b du tube réacteur. La partie extrême supérieure du cyclone comporte un tube central 19 de sortie des fumées épurées qui est relié à la boîte à fumée supérieure 9.
  • Ce cyclone extérieur 14 peut être soit du type chaud comprenant en particulier une enveloppe métallique notamment en acier et garnie intérieurement d'un revêtement réfractaire thermiquement isolant (voir figure 4) ou du type à double paroi définissant un espace annulaire intermédiaire de circulation d'un fluide refroidisseur gazeux ou liquide, tel que l'air ou l'eau par exemple.
  • La boîte à fumée supérieure 9 communique, en un emplacement précisé plus loin, avec un conduit 20 relié à un caisson dépoussièreur 21 pourvu d'un orifice d'évacuation des fumées 22 éventuellement relié à une cheminée ou à un carneau (voir figures 2 et 3).
  • Le combustible par exemple solide tel que le charbon est de préférence d'abord emmagasiné dans une fosse de déchargement 23 d'où il parvient à une trémie d'alimentation 24 (voir figures 2 et 3) reliée à sa partie inférieure par un conduit 25 au conduit 17 en aval du siphon d'étanchéité 16, de sorte que le combustible solide est ainsi injecté dans le flux de poussières retournant à l'espace de combustion 18. En variante, le conduit 25 peut déboucher directement dans le foyer 18, de sorte que le combustible solide sera alors injecté directement dans le foyer, de préférence par l'intermédiaire d'un système d'alimentation à vitesse variable (voir figure 5).
  • Selon la variante de réalisation représentée sur la figure 5, le cyclone 14′ est disposé directement à l'intérieur du tube réacteur et réalisé en matériaux réfractaires tels que l'acier réfractaire ou autres matériaux résistant aux hautes températures.
  • Dans le cas de la circulation forcée du fluide notamment liquide à chauffer tel que l'eau, le tube réacteur est avantageusement entouré coaxialement, de préférence sur toute sa hauteur, par une chemise 26 radialement espacée du réacteur vers l'extérieur et délimitant, avec celui-ci un espace annulaire intermédiaire 27 de circulation forcée de liquide, cette chemise s'étend ainsi sur toute la longueur du tube réacteur 8, c'est-à-dire sur son tronçon supérieur interne 8a et sur son tronçon inférieur externe 8b (en contribuant ainsi à refroidir le foyer) comme cela est représenté sur la figure 5. Le liquide tel que l'eau entre dans la chaudière en pénétrant dans l'espace annulaire 27 par la partie extrême inférieure de celui-ci et en sortant de cet espace annulaire par la partie extrême supérieure de ce dernier pour pénétrer dans l'enceinte à liquide du corps 4. Un chicanage (non représenté) est avantageusement placé dans l'espace annulaire 27 autour du tube réacteur 8 pour forcer ainsi l'eau à circuler de façon guidée autour du tube réacteur. En fonction des différences de température, la chemise 26 peut être solidaire du tube réacteur 8 ou non solidaire de celui-ci si les dilatations différentielles sont trop importantes.
  • En raison de la façon dont la chaudière est supportée par sa partie inférieure, les dilatations thermiques se font vers le haut.
  • Le cyclone intérieur 14′ comporte, à sa partie inférieure, un conduit central vertical 15′, sensiblement coaxial au tube réacteur 8 et s'étendant vers le bas jusqu'à pénétrer dans le tronçon inférieur externe 8b du tube réacteur, de façon à y déverser les poussières ou particules captées tombant du cyclone intérieur et retournant ainsi dans le foyer 18. La figure 6 représente une section transversale du tube réacteur au niveau du cyclone intérieur et les flèches y représentent les entrées tangentielles des fumées chargées de poussières en provenance du réacteur dans le cyclone et leurs trajets dans celui-ci.
  • Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le faisceau tubulaire 7 est composé de deux groupes de tubes à fumée débouchant respectivement, par leurs extrémités supérieures à travers la plaque tubulaire supérieure 5, dans deux compartiments séparés adjacents 9a et 9b de la boîte à fumée 9. Ces deux groupes de tubes à fumée débouchent respectivement par leurs extrémités inférieures à travers la plaque tubulaire inférieure 6 dans la cavité commune de la boîte à fumée inférieure 10.
  • Le fonctionnement de la chaudière est alors le suivant : la combustion notamment en lit fluidisé dans le foyer produit des flammes et des fumées qui s'élèvent dans le tube réacteur 8 en cédant leur chaleur sensible à l'eau baignant celui-ci. A la partie supérieure du tube réacteur, ces fumées chargées de poussières ou cendres volantes quittent le tube réacteur 8 par au moins un orifice 29 traversant la paroi latérale du tube réacteur pour pénétrer par au moins un conduit de liaison 13 dans le cyclone 14 ou 14′ où les fumées sont épurées, c'est-à-dire débarassées de leurs poussières. Le trajet ascendant des fumées dans le tube réacteur est symbolisé par la flèche 30 sur la figure 1. Les fumées épurées quittent le cyclone 14,14′ par son tube central de sortie supérieure 19 pour pénétrer dans la boîte à fumée supérieure 9 en entrant dans le premier compartiment 9a de celle-ci selon le trajet symbolisé par la flèche 31. A partir du compartiment 9a, les fumées épurées traversent en descendant le premier groupe de tubes à fumée selon le trajet vertical descendant symbolisé par la flèche 32 en cédant ainsi leur chaleur sensible à l'eau baignant les tubes à fumée de ce groupe pour pénétrer ensuite en bas dans la boîte à fumée inférieure 10 d'où elles remontent à travers le second groupe de tubes à fumée suivant le trajet vertical ascendant symbolisé par la flèche 33 en y cédant également leur chaleur sensible à l'eau baignant les tubes à fumée de ce groupe pour finalement déboucher dans le second compartiment 9b de la boîte à fumée supérieure 9 et être évacuées de la chaudière par le conduit 20 qui les amène au dépoussiéreur 21 duquel elles s'échappent par l'orifice 22.
  • Il est évidemment possible de prévoir plus de deux groupes de tubes à fumée avec un nombre et agencement de compartiments correspondants tels dans les boîtes à fumée respectivement supérieure 9 et inférieure 10 que les fumées effectuent ainsi des passages successifs alternativement en sens inverses respectivement descendant puis ascendant et ensuite descendant et ainsi de suite avant d'être évacuées de la chaudière. Cette évacuation peut alors se faire soit depuis la boîte à fumée supérieure 9 ou depuis la boîte à fumée inférieure 10 selon que le nombre de tels groupes de tubes à fumée est pair ou impair.
  • L'air comburant et de fluidisation est amené au foyer par un ventilateur notamment de soufflage de préférence centrifuge 34 au travers d'un conduit de refoulement 35.
  • L'allure de chauffe est modulée en faisant varier simultanément le débit de combustible et le débit d'air. La température du lit fluidisé, aux allures intermédiaires, est réglée en agissant sur les proportions d'air primaire et d'air secondaire aux différents niveaux d'injection.
  • Sur la paroi du foyer ou tronçon inférieur externe du tube réacteur sont disposés au moins un brûleur auxiliaire, des lances d'injection de combustible auxiliaire, les instruments notamment de mesure de pression et de température, la robinetterie d'habillage, des pompes de circulation en cas de besoin et un système d'extraction des cendres. Le combustible auxiliaire est utilisé pour le démarrage (jusqu'à la température convenable du lit fluidisé pour favoriser la combustion de celui-ci) ou en secours à titre occasionnel et est brûlé dans le brûleur auxiliaire installé dans la partie inférieure du tube réacteur.
  • L'extraction des cendres sous le tube réacteur s'effectue de façon continue ou intermittente en fonction de la perte de charge à travers le lit fluidisé, au moyen d'un système de canalisations 36 débouchant dans un puits de collecte 37 (figure 2) dans lequel débouche également le conduit de sortie de poussières 38 relié à la partie inférieure du dépoussiéreur 21.
  • L'extracteur de cendres est avantageusement un extracteur volumétrique à vitesse variable et à double paroi refroidie par circulation d'eau par exemple.
  • L'efficacité et le caractère économique de la présente invention sont imputables notamment au fait que les fumées, chargées de poussières, quittent le tube réacteur en partie haute pour traverser ensuite le cyclone où elles sont épurées puis circulent verticalement de haut en bas puis de bas en haut à l'intérieur des tubes de fumée, la sortie des fumées se trouvant soit en partie basse, soit en partie haute de la chaudière suivant le nombre de passages.

Claims (13)

1. Procédé de production d'un fluide notamment liquide chaud, du type consistant à chauffer ledit liquide par échange de chaleur indirect avec des fumées à courants sensiblement verticaux et éventuellement des flammes émanant de la combustion d'un corps et traversant la masse dudit fluide selon plusieurs voies d'écoulement distinctes notamment sensiblement parallèles, les fumées, dans chaque voie à flamme, après avoir traversé ladite masse de fluide dans un sens, étant épurées, puis retraversant ladite masse en sens inverse en effectuant ensuite plusieurs passages successifs à travers celle-ci, alternativement en sens contraires, chaque fois selon plusieurs voies d'écoulement de fumées dérivées distinctes, différentes pour chaque passage, avant d'être évacuées tandis que les poussières séparées sont ramenées à l'espace de combustion, caractérisé en ce que l'épuration précitée des fumées est réalisée par séparation statique centrifuge des poussières dans un cyclone sensiblement vertical, le retour précité des poussières éliminées s'effectuant par gravité.
2. Procédé selon la revendication 1, à combustion en lit fluidisé, caractérisé par une injection de combustible solide dans le flux de retour des poussières éliminées précitées.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, à circulation forcée du fluide à chauffer, caractérisé par un refoulement dudit fluide en guidage forcé selon un flux de préférence au moins approximativement hélicoïdal en une couche annulaire autour de la voie à flammes précitée.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par une épuration précitée des fumées effectuée à l'intérieur de la voie à flammes précitée.
5. Chaudière (1) formant générateur de fluide chaud, pour l'exécution du procédé selon l'une des revendications précédentes, du type de préférence sensiblement cylindrique tubulaire généralement vertical à corps (4) formant enceinte à fluide notamment liquide, disposé au-dessus du foyer (18) et traversé par un faisceau tubulaire composé de tubes à fumée (7) sensiblement parallèles, débouchant à la partie supérieure dudit corps dans une boîte à fumée (9) et solidaires, par leurs extrémités opposées, de deux plaques tubulaires respectivement supérieure (5) et inférieure (6) faisant partie des fonds dudit corps, cette chaudière comprenant
a) une gaine cylindrique (8) sensiblement verticale formant réacteur traversant, par sa partie supérieure formant tube à flamme (8a), ledit corps (4) notamment sur au moins toute sa hauteur et se prolongeant vers le bas à l'extérieur et en dessous dudit corps par une partie inférieure (8b) contenant ledit foyer ou une chambre de combustion (18), ladite gaine (8) étant entourée au moins partiellement par ledit faisceau tubulaire (7) ;
b) une boîte à fumée inférieure (10) dans laquelle débouchent lesdits tubes à fumée (7) ;
caractérisé en ce qu'elle comporte
c) un compartimentage (9a, 9b) par cloisonnement d'au moins la boîte à fumée supérieure (9) ;
d) une répartition desdits tubes à fumée (7) en plusieurs groupes distincts successifs formant respectivement des voies de circulation de fumée en sens alternativement contraires, deux groupes successifs formant voies de circulation respectivement descendante et ascendante débouchant respectivement dans deux compartiments séparés (9a, 9b) de la boîte à fumée supérieure (9) et dans un compartiment commun associé de la boîte à fumée inférieure (10) tandis que deux groupes successifs formant voies de circulation respectivement ascendante et descendante débouchent dans un compartiment commun associé de la boîte à fumée supérieure (9) et respectivement dans deux compartiments séparés de la boîte à fumée inférieure (10), le dernier compartiment d'une boîte à fumée (9, 10), dans lequel débouche, par son extrémité aval, le dernier groupe de tubes à fumée, terminant le trajet des fumées dans ledit corps, communiquant avec un conduit (20) d'évacuation des fumées ;
e) un cyclone sensiblement vertical (14, 14′) dont l'entrée (13) des fumées à épurer communique avec ledit réacteur (8) à la partie extrême supérieure de ce dernier et dont la sortie (19) des fumées épurées communique avec la boîte à fumée supérieure (9) en débouchant dans le compartiment communiquant avec le premier groupe de tubes à fumées (7) formant voie de circulation descendante.
6. Chaudière selon la revendication 5, caractérisée en ce que la sortie des poussières du cyclone précité (14, 14′) communique avec le foyer (18) dans la partie inférieure précitée (8b) du réacteur (8).
7. Chaudière selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le cyclone précité (14) est extérieur au corps précité (4) et sa sortie de poussières (15-17) communique avec le foyer (18) par l'intermédiaire d'un siphon d'étanchéité (16).
8. Chaudière selon la revendication 7, caractérisée en ce que le cyclone précité (14) est soit du type chaud à enveloppe métallique garnie intérieurement d'un revêtement réfractaire thermiquement isolant, soit à double paroi définissant un espace annulaire intermédiaire de circulation d'un fluide refroidisseur.
9. Chaudière selon la revendication 7 ou 8, caractérisée par un conduit (25) d'amenée de combustible solide débouchant dans le conduit (17) d'évacuation des poussières du cyclone (14) à la sortie ou en aval du siphon d'étanchéité précité (16).
10. Chaudière selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le cyclone (14′) est disposé directement à l'intérieur du réacteur précité (8) et constitué en matériaux réfractaires.
11. Chaudière selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisée par une circulation forcée du fluide notamment liquide précité et en ce que le réacteur (8) est entouré coaxialement, de préférence sur au moins toute sa hauteur, par une chemise (26) radialement espacée du réacteur vers l'extérieur et délimitant, avec celui-ci, un espace annulaire intermédiaire (27) de circulation forcée de liquide entrant dans la chaudière (1) par la partie extrême inférieure dudit espace annulaire (27) et sortant dans l'enceinte à fluide notamment liquide du corps (4) par la partie extrême supérieure dudit espace annulaire (27).
12. Chaudière selon la revendication 11, caractérisée par un chicanage placé dans l'espace annulaire intermédiaire précité (27) autour de réacteur (8) précité.
13. Chaudière selon l'une des revendications 5 à 13, caractérisée en ce que la partie inférieure externe (8b) du réacteur précité (8) comporte soit une double paroi définissant un espace annulaire intermédiaire de circulation d'un fluide refroidisseur, soit un revêtement réfractaire interne (12).
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