La présente invention concerne les foyers à combustible solide dans lesquels la combustion est effectuée en deux stades : un premier stade où le combustible est brûlé en lit fluidisé avec une quantité substoechiométrique d'air primaire et un second stade où les gaz se dégageant du lit fluidisé et les fines particules de combustible qu'ils entraînent brûlent avec de l'air secondaire admis dans la chambre de combustion à une certaine hauteur au-dessus du lit fluidisé.
Plus particulièrement, l'invention concerne les foyers à lit fluidisé du genre précité connu notamment par la publication FR-A-2 583 305. Cette installation ou chaudière connue comporte une chambre verticale de combustion dont le fond est constitué par une grille mobile telle que le brin supérieur d'une chaîne sans fin, inclinée vers le haut de l'avant vers l'arrière suivant le sens d'avancement du combustible, cette grille formant support de fluidisation traversé par l'air de soufflage primaire. La température, au sein du flit fluidisé, est suffisante pour permettre l'agglomération des cendres en mâchefers qui sont évacués à l'extrémité supérieure de la grille formant ainsi un moyen mécanique d'extraction par transporteur. Le combustible utilisé contenant généralement du soufre, cette installation connue concerne plus particulièrement la désulfuration des gaz sortant du foyer à lit fluidisé. La totalité des cendres volantes est séparée des fumées dans un dépoussiéreur primaire tandis que l'agent désulfurant et les produits de la réaction de désulfuration sont séparés des fumées donc en particulier des cendres volantes dans un dépoussiéreur secondaire tandis qu'une partie de l'agent désulfurant et des produits de la réaction de désulfuration ainsi séparés est évacuée par un conduit de purge. La totalité des particules solides, séparées dans le dépoussiéreur primaire, est recyclée au premier stade de la combustion en dessous de l'arrivée d'air secondaire, les cendres volantes étant réinjectées soit juste au-dessus du lit fluidisé ou au sein même de ce lit fluidisé tandis que l'autre partie de l'agent désulfurant et des produits de la réaction de désulfuration, séparés dans le dépoussiéreur secondaire, est recyclée au second stade de combustion, c'est-à-dire au-dessus de l'arrivée d'air secondaire et éventuellement à deux niveaux différents selon le régime de combustion, à savoir un niveau inférieur pour fonctionnement à faible charge et un niveau supérieur pour fonctionnement à forte charge, l'agent désulfurant frais étant également introduit au second stade de la combustion au-dessus de l'arrivée d'air secondaire. Il existe donc deux circulations séparées selon respectivement deux circuits fermés distincts, à savoir : la circulation d'agent désulfurant et des produits de la réaction de désulfuration, d'une part, et la circulation des cendres volantes, d'autre part.
L'inconvénient des foyers connus de ce type, dans lesquels les cendres et les suies, qui sont entraînées par les gaz se dégageant du flit fluidisé, sont séparées dans un ou plusieurs dépoussiéreurs et réinjectées dans le lit fluidisé ou juste au-dessus de celui-ci, réside dans le fait que les suies brûlent difficilement dans le lit fluidisé ou juste au-dessus parce qu'elles se trouvent dans un milieu réducteur et peuvent être piégées par les cendres et évacuées avec celles-ci, ce qui diminue le rendement de combustion.
Le fascicule de brevet européen EP-A-206 066 révèle un dispositif de combustion formant chaudière à lit fluidisé (ou couche turbulente) circulant.
Ce système connu présente l'inconvénient d'une structure relativement complexe organiquement donc d'un coût relativement élevé ainsi que d'un résultat ou effet technique seulement partiellement satisfaisant. En effet, le mode de fonctionnement de ce système connu aboutit à l'obtention d'une température maintenue sensiblement constante à une valeur désirée par une régulation au moyen d'un refroidissement forcé de tout ou partie des cendres recyclées, de sorte que le débit de recirculation est déterminé donc imposé par la température constante désirée en se traduisant ainsi par un taux de recirculation (rapport du débit recyclé au débit purgé) très élevé en augmentant ainsi les risques d'érosion et la dépense d'énergie, la température conditionnant l'émission d'oxydes d'azote et l'efficacité de l'agent désulfurant (injecté avec le charbon dans le lit fluidisé). Ce système connu s'efforce ainsi de traiter simultanément tous les problèmes à la fois concernant respectivement la combustion, l'émission des oxydes d'azote, d'anhydride sulfureux etc. Par ailleurs, la possibilité, dans ce système connu, d'un recyclage de la totalité des matières solides séparées présente l'inconvénient de provoquer, avec le temps, l'accroissement de la teneur en matières solides du circuit de recirculation.
La présente invention a essentiellement pour but de supprimer ou au moins de pallier les inconvénients des systèmes connus précités en créant un procédé de combustion d'un combustible solide contenant du soufre, comportant un premier stade où le combustible est brûlé en lit fluidisé avec une quantité substoechiométrique d'air primaire de combustion et fluidisant et un second stade dans la zone duquel est injecté un agent désulfurant et où les gaz se dégageant du flit fluidisé et les fines particules de combustible ou suies entraînées par ces gaz brûlent avec de l'air secondaire, la majeure partie des cendres produites au premier stade de la combustion étant évacuée à ce stade tandis que les particules solides séparées des fumées résultant de la combustion au second stade, à l'exception d'un débit de purge éliminant une partie desdites particules solides entraînées par les gaz, sont recyclées à la combustion pour les faire circuler en circuit fermé. Dans ce procédé, le problème posé précité est résolu conformément à l'invention par le fait que toutes lesdites particules solides séparées sont constituées d'un mélange de cendres volantes et de produits de la réaction de désulfuration et leur partie recyclée est recyclée au second stade de la combustion de façon à obtenir, seulement à ce stade, une circulation unique en circuit fermé à plusieurs passages d'un mélange de fines particules de combustible ou suies, de cendres volantes, d'agent désulfurant et de produits de la réaction de désulfuration avec un débit de charge circulante égal à plusieurs (par exemple environ dix) fois le débit de purge.
Avantageusement, les particules, recylées au second stade de la combustion, sont injectées à deux niveaux différents en fonction du régime de la combustion : un premier niveau proche du niveau d'admission de l'air secondaire, pour la marche à faible charge et un niveau supérieur pour la marche a forte charge. Les particules recyclées sont de préférence réinjectées pneumatiquement au moyen d'air secondaire.
L'invention a également pour objet une installation formant chaudière avec foyer à lit fluidisé pour la mise en oeuvre du procédé précité, du type comprenant une chambre de combustion dont la partie inférieure constitue un réacteur à lit fluidisé, à sole formant grille inclinée pourvue de moyens d'évacuation des cendres à l'extrémité supérieure de la sole et sous laquelle sont disposés des moyens d'insufflation d'air de fluidisation et de combustion primaire tandis qu'au-dessus de la sole sont placés des moyens d'introduction de combustible dans le lit fluidisé et dont la partie supérieure de chambre comporte des buses d'admission d'air secondaire et des moyens d'injection d'un agent désulfurant, situés à une certaine hauteur au-dessus du lit fluidisé et desdites buses d'admission d'air secondaire ; des moyens dépoussiéreurs reliés à la sortie de la partie supérieure de ladite chambre ainsi que des moyens pour réinjecter, dans la chambre de combustion, une partie des particules solides séparées des gaz de combustion dans lesdits moyens dépoussiéreurs et des moyens de purge pour soutirer l'autre partie desdites particules solides séparées, caractérisée en ce que lesdits moyens d'introduction du combustible sont disposés de façon à introduire celui-ci dans la partie la plus profonde du lit fluidisé et lesdits moyens de réinjection débouchant dans ladite chambre de combustion au niveau ou au-dessus desdites buses d'admission d'air secondaire tandis que lesdits moyens de purge sont agencés pour éliminer un mélange de cendres volantes et de produits de la réaction de désulfuration avec un débit tel que le débit de la charge circulante soit égal à plusieurs fois le débit de purge.
D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit et se réfère au dessin l'accompagnant qui montre, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention et sur lequel :
Sur le schéma de la figure 1, les numéros de référence 1 et 2 représentent des réacteurs, 3 et 4 sont des échangeurs de chaleur à convection, 5 est un dépoussiéreur primaire et 6 un dépoussiéreur final.
Dans le réacteur 1, le combustible introduit en 7 est fluidisé par l'air admis en 8, sous une sole inclinée et perméable au gaz. Les cendres produites par la combustion en lit fluidisé sont évacuées en 9 par débordement ou défluidisation au-dessus de l'extrémité supérieure de la sole, ou extraites du lit, sous forme de mâchefers, par un transporteur si la température du lit est suffisante pour provoquer l'agglomération des cendres. Le débit d'air insufflé en 8 est inférieur au débit stoechiométrique, de sorte que les gaz produits qui se dégagent du lit sont réducteurs. Ces gaz, qui sont chargés de cendres volantes et de fines particules de combustible, sont introduits dans le réacteur 2 où on introduit également de l'air secondaire, en 11, et le cas échéant un agent désulfurant, tel que du calcaire ou de la chaux, sous forme finement divisée, en 13. Les gaz et les particules de combustible qu'ils transportent brûlent avec l'air secondaire pour produire des gaz chauds qui traversent successivement l'échangeur 3, le dépoussiéreur 5, l'échangeur 4 et le dépoussiéreur 6. Les poussières séparées des gaz dans les dépoussiéreurs 5 et 6 sont renvoyées dans le réacteur 2, en 15, à l'exception d'une faible fraction qui est soutirée en 17, pour éliminer les cendres et les produits de la réaction de désulfuration. En contrôlant le débit des poussières réinjectées en 15, on maintient la charge circulante égale à plusieurs fois le débit de purge, de sorte que chaque particule d'agent désulfurant et de combustible passe plusieurs fois dans le réacteur 2 ce qui permet d'obtenir de très bons rendements de combustion et de désulfuration.
Dans la chaudière de la figure 2, les deux zones de combustion sont superposées, sans séparation, dans une même enceinte. Cette chaudière comporte un foyer à lit fluidisé 10 dont la sole est constituée par le brin supérieur, incliné d'une chaîne sans fin 12. Cette sole constitue le fond d'une chambre verticale 18 dont les parois et le plafond sont formés, de manière connue, de panneaux de tubes étanches, qui sont raccordés, par leur extrémité supérieure, à un ballon collecteur de vapeur 20. La chambre 18 est raccordée à une chambre horizontale 22 dans laquelle sont placés des faisceaux de tubes 24 raccordés au ballon 20 et de tubes 26 où la vapeur collectée dans le ballon 20 est surchauffeé. Les fumées produites dans la chambre 18 et sortant de la chambre 22 traversent successivement un dépoussiéreur primaire 28, constitué par exemple par un multicyclone, un échangeur 30, qui pourra être un économiseur, et un dépoussiéreur final 32, par exemple un filtre à manches.
L'air nécessaire à la combustion du combustible est en partie insufflé à travers la chaîne 12 pour assurer la fluidisation du combustible solide et sa combustion partielle, et en partie à une certaine distance au-dessus du lit, au moyen de buses 34.
Le combustible solide est introduit par une goulotte 14 dans la partie la plus profonde du lit et un agent désulfurant est injecté en 36 dans la partie supérieure de la chambre de combustion 18.
Les poussières recueillies dans la chambre 22, dans les dépoussiéreurs 28 et 32 et dans l'échangeur 30 sont réinjectées, par exemple pneumatiquement, en 37 dans la chambre de combustion 18, au niveau des buses 34 ou au-dessus de celle-ci ; on pourra, en particulier, utiliser l'air secondaire pour réinjecter les poussières. Une partie des poussières est soutirée, en continu ou en discontinu, par un circuit de purge 38 pour éliminer les produits de la réaction de désulfuration et les cendres. Le taux de circulation - rapport du débit de la charge circulante au débit de purge - est de l'ordre de 10. On pourra prévoir de réinjecter les poussières à deux niveaux différents suivant le régime de marche de la chaudière : un niveau inférieur pour la marche à faible charge et un niveau supérieur pour la marche à forte charge.
Si la combustion dans le lit fluidisé 10 s'effectue à une température suffisante pour permettre l'agglomération des cendres sous forme de mâchefers, ceux-ci se déposent sur la chaîne 12 et sont évacués par celle-ci à son extrémité supérieure. Si la température du lit fluidisé n'est pas suffisante pour provoquer l'agglomération des cendres, celles-ci sont évacuées par débordement ou défluidisation à l'extrémité supérieure de la sole. Dans tous les cas, c'est la majeure partie des cendres est ainsi extraite du lit, le reste étant entrainée par les gaz se dégageant du lit. Les gaz combustibles se dégageant du lit et les fines particules de combustible entraînées par ceux-ci, avec les cendres volantes, brûlent au-dessus du lit 10 avec l'air secondaire introduit par les buses 34.
On peut considérer que le lit fluidisé 10 constitue le premier étage d'un réacteur à deux étages dont le second s'apparente à un lit fluidisé circulant et où s'effectue en totalité la désulfuration et la combustion des suies. Il se distingue cependant des lits fluidisés circulants classiques par le fait qu'il ne comporte pas de grille de fluidisation et que la charge circulante est beaucoup plus réduite, pour un taux de circulation donné de l'agent désulfurant, puisque la majeure partie des cendres est extraite du lit 10 sous forme de mâchefers, de sorte que les particules sont maintenues en suspension dans les gaz dans ce second étage. En conséquence, la teneur en produits de la désulfuration de la fraction extraite par le circuit de purge 38 est nettement plus élevée, ce qui facilite le traitement ultérieur de celle-ci; la concentration en poussières des chambres 18 et 22 est inférieure et les parois de ces chambres ainsi que les tubes des faisceaux 24 et 26 sont soumis à une érosion moins sévère.