FR2850733A1 - Generateur a foyers de combustion successifs destine a la production de vapeur - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un générateur de vapeur comprenant un foyer de combustion, au moins un brûleur alimenté en combustible et en comburant, une zone de vaporisation comprenant un échangeur de vaporisation, une zone de surchauffage comprenant un échangeur de surchauffage, une zone de préchauffage comprenant un échangeur de préchauffage et un ballon collecteur.Selon l'invention, le générateur comprend au moins deux foyers de combustion (F1, F2) successifs et chaque foyer comprend au moins un échangeur (20, 30, 38, 78, 40) d'au moins une desdites zones (V, V1, V2, V3, V4; S1, S2, S3; P).

Description

La présente invention se rapporte à un générateur thermique destiné à la

production de vapeur.

Elle concerne plus particulièrement un générateur de vapeur, plus 5 communément appelé chaudière, fonctionnant à partir de la combustion d'un combustible, en particulier celui contenant du soufre et de l'azote, en présence d'un comburant, plus particulièrement d'un comburant à haute teneur en oxygène, généralement supérieure à 80%.

Un tel générateur peut être utilisé, notamment pour entraîner des 10 machines tournantes, telles que des turbines à vapeur de centrales thermiques, pour lesquelles il est nécessaire de produire de la vapeur à haute température, dite vapeur surchauffée, avec une température de l'ordre de 5600C. Une autre application possible de ce générateur est la production de vapeur en raffinerie pour satisfaire les besoins des procédés de transformation du pétrole. Il est 15 également possible d'utiliser un tel générateur pour la production de vapeur pour l'extraction de pétrole brut.

Il est déjà connu, notamment par le document FR 2 528 540, un générateur de vapeur fonctionnant à partir de la combustion d'un combustible 20 en présence d'air. Ce générateur comprend un foyer de combustion (ou chambre de combustion) muni d'au moins un brleur et comporte, successivement les unes à la suite des autres, une zone de vaporisation comportant au moins un échangeur de vaporisation appelé écran vaporisateur ou évaporateur, une zone de surchauffage comportant un échangeur de 25 surchauffage ou surchauffeur, une zone de préchauffage comportant un échangeur de préchauffage ou économiseur et une zone d'évacuation des fumées et/ou une zone de recirculation des fumées. Il est en outre prévu un moyen de stockage de l'eau en phase gazeuse et en phase liquide, dénommé ballon, qui alimente, en eau chauffée, l'évaporateur et, en vapeur d'eau, le 30 surchauffeur.

Ce type de générateur met en oeuvre généralement deux circuits, un premier circuit, dit circuit d'eau, qui comprend les échangeurs des zones de vaporisation, de surchauffage, de préchauffage ainsi que le ballon et un second circuit, dit circuit des fumées, qui utilise les fumées résultant de la combustion d'un combustible avec un comburant et qui est destiné à transférer l'énergie thermique dégagée par la combustion aux différents échangeurs, lors de leurs parcours du brleur vers la zone d'évacuation des fumées.

En pratique, les fumées résultant de la combustion sont des fumées à haute température qui traversent les échangeurs pour transférer leurs chaleurs par convection et/ou par rayonnement aux différents échangeurs de manière à chauffer l'eau puis à la vaporiser et enfin à surchauffer la vapeur d'eau résultant 10 de la vaporisation. Additionnellement, ces fumées peuvent passer ensuite dans une installation de traitement complexe, telle qu'un dépoussiéreur suivi d'une unité de traitement des fumées, avant d'être rejetées dans l'atmosphère par une cheminée.

Dans le circuit d'eau, l'eau disponible sur le site est pompée pour être 15 injectée dans l'économiseur o elle est préchauffée. L'eau préchauffée est ensuite dirigée, soit vers le ballon (dans le cas de générateur à circulation naturelle) à partir duquel l'eau préchauffée alimente ensuite l'évaporateur, soit directement vers cet évaporateur (pour des générateurs à circulation forcée) grâce auquel l'eau préchauffée est en grande partie vaporisée. Le mélange 20 diphasique eau liquide-vapeur d'eau est envoyé vers le ballon o se réalise la séparation de la phase liquide et de la phase vapeur. La vapeur d'eau issue du ballon alimente le surchauffeur qui permet de produire de la vapeur d'eau à très haute température.

Ainsi, comme cela est connu, la vaporisation de l'eau a lieu en grande 25 partie dans l'évaporateur du foyer de combustion, car c'est dans cette zone que se situe le plus haut niveau thermique des fumées ainsi que le besoin le plus grand en énergie pour assurer la transformation de l'eau en un fluide diphasique dans l'évaporateur. Ensuite, il se produit, dans la zone de surchauffage, un transfert thermique de l'énergie des fumées vers le 30 surchauffeur, transfert qui nécessite lui aussi un haut niveau de température pour obtenir de la vapeur d'eau surchauffée. Enfin, en sortant de la zone de surchauffage, les fumées échangent leurs énergies thermiques avec l'économiseur qui utilise les fumées à leurs plus bas niveaux de température pour préchauffer l'eau. Toutes ces opérations d'échanges thermiques permettent de maximiser le rendement du générateur en utilisant au maximum la chaleur des fumées.

Il peut être également intéressant de faire fonctionner ce type de générateur en utilisant un comburant à haute teneur en oxygène, préférentiellement supérieure à 80%, et de tirer profit d'une telle combustion, notamment grâce à la réduction du ballast d'azote contenu dans ce comburant. 10 En effet, lorsque l'on supprime au moins en partie l'azote du comburant, le débit de fumées et l'énergie évacuée par les fumées de combustion à la cheminé sont réduites et l'on peut ainsi augmenter le rendement thermique d'un tel générateur de vapeur. Ainsi, pour une même quantité de chaleur transférée, la consommation de combustible est diminuée. A titre d'exemple, les pertes 15 thermiques à la cheminée d'un générateur fonctionnant à l'air et évacuant des fumées à 2500 C sont de l'ordre de 10% de la puissance thermique fournie par le combustible alors que, pour des conditions opératoires identiques, les pertes thermiques sont réduites à 3% lorsque l'on utilise, comme comburant, de l'oxygène pur, ce qui engendre une augmentation du rendement énergétique de 20 l'ordre de 7%. De même, le débit de fumées est réduit d'un facteur d'au moins quatre.

De plus, en utilisant une combustion à l'oxygène, les émissions de polluants sont fortement réduites. Plus particulièrement, les émissions d'oxydes d'azote (NOx), provenant à la fois de la dissociation thermique de l'azote 25 moléculaire et de la réaction de l'azote contenu dans le combustible, sont diminuées d'un facteur un à cinq pour une même technologie de brleur.

En outre, le traitement des fumées en vue de l'élimination des oxydes de soufre peut être également simplifié compte tenu de l'augmentation de la concentration des oxydes de soufre dans les fumées de combustion. Des gains 30 importants peuvent par conséquent être consentis sur les cots des équipements de traitements des oxydes de soufre.

Cependant, l'architecture des générateurs de vapeur dans lesquels la combustion est réalisée entre de l'air et un combustible ne peut pas s'appliquer aux générateurs dans lesquels la combustion se réalise en présence d'un comburant à fort taux d'oxygène, ou oxycombustion.

En effet, la figure 1, qui est un graphique portant, en abscisse, les températures des fumées (en 'C) et, en ordonné, le rendement de la combustion (en %), montre la différence de rendement entre une combustion à l'air (courbe 1) et l'oxycombustion (courbe 11).

La définition des caractéristiques principales d'un générateur fonctionnant 10 à l'oxycombustion a imposé préalablement de calculer la répartition des échanges thermiques dans les différentes étapes de production de la vapeur.

Ceci sera mieux compris en prenant comme exemple un générateur à 'air d'une puissance de 100MW délivrant 124 tonnes/heure de vapeur surchauffée à une température de 4800C et une pression de 80 bars. Dans ce cas, pour une 15 température des fumées à la sortie de l'économiseur de 2500C, la répartition des puissances obtenues à partir des tables enthalpiques est la suivante: - Vaporisation de l'eau dans l'évaporateur: 43,8% Surchauffe de la vapeur dans le surchauffeur:18,8% - Préchauffage de l'eau par l'économiseur: 27,6%, 20 - Pertes thermiques à l'évacuation: 9,8% La figure 1 donne un rendement thermique de 90,2% pour une température des fumées de 2500C (point A) à la sortie de l'économiseur.

En conservant cette température des fumées à la sortie de l'économiseur à 2500C, la figure 1 montre que la température des fumées à la sortie d'un 25 évaporateur consommant 43,8% de la puissance délivrée par un générateur à oxycombustion fonctionnant avec un comburant dont la composition est de l'ordre de 95% d'oxygène, de l'ordre de 3% d'azote et de l'ordre de 2% d'argon, est largement supérieure à 20000C (ligne B).

Une telle température est préjudiciable sur les émissions de polluants, tels 30 que les oxydes d'azote (NOx). Plus particulièrement, il a pu être démontré qu'il existe une dépendance exponentielle entre le taux de formation de NOx et la température des fumées avec une augmentation très rapide de la conversion de l'azote moléculaire du comburant en NO à partir d'une température de fumées de l'ordre de 15000C. De plus, les fumées rentrent dans le surchauffeur à une température supérieure à 20000C et les tubes constituant généralement le surchauffeur sont donc soumis à des températures de fumées très élevées. 5 Cette solution pose un problème de tenue thermique pour les tubes du surchauffeur à l'intérieur desquels circule déjà de la vapeur d'eau sèche.

Par rapport à la formation des oxydes d'azote, l'expérience acquise par le demandeur à travers de nombreux travaux montre qu'il est préférable de ne pas dépasser une température de fumées d'environ 13000C à la sortie du foyer de 1 0 combustion.

La figure 1 montre que le rendement thermique associé à cette température est de l'ordre de 80,9% (point C) pour une chambre de combustion fonctionnant à l'oxycombustion, ce qui est nettement supérieur au rendement requis par l'évaporateur qui est de 43,8% pour une température d'environ 15 12000C (point D).

Il a pu être également observé que, dans les chaudières classiques fonctionnant à l'air, le bilan énergétique faisait ressortir qu'environ 30% de l'énergie thermique était absorbé pour le chauffage de l'eau, environ 40% pour sa vaporisation, environ 20% pour le surchauffage et environ 10% pour les 20 pertes thermiques. Dans le cas de chaudières fonctionnant en oxycombustion, la contrainte d'une température des fumées de l'ordre de 13000C à la sortie de la chambre de combustion impose de transférer environ 80% de l'énergie dans cette chambre de combustion, ce qui laisse une énergie thermique résiduelle insuffisante pour assurer l'étape de surchauffage de la vapeur et de 25 préchauffage de l'eau.

La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un générateur dans lequel le niveau de température des fumées pour obtenir de la vapeur d'eau surchauffée à une 30 température requise est obtenue d'une manière simple et cela en utilisant les techniques et matériaux couramment employés dans les chaudières.

A cet effet, la présente invention concerne un générateur de vapeur comprenant un foyer de combustion, au moins un brleur alimenté en combustible et en comburant, une zone de vaporisation comprenant un échangeur de vaporisation, une zone de surchauffage comprenant un 5 échangeur de surchauffage, une zone de préchauffage comprenant un échangeur de préchauffage et un ballon collecteur, caractérisé en ce que le générateur comprend au moins deux foyers de combustion successifs et en ce que chaque foyer comprend au moins un échangeur d'au moins une desdites zones.

Avantageusement, chaque foyer peut comprendre au moins un échangeur de vaporisation.

De manière préférentielle, chaque foyer peut comprendre au moins un échangeur de surchauffage.

Chaque foyer peut également comprendre au moins un échangeur de 1 5 préchauffage.

L'un des foyers peut comprendre au moins un échangeur de vaporisation alors que l'autre des foyers peut comprendre au moins un échangeur de surchauffage et au moins un échangeur de préchauffage.

Alternativement, l'un des foyers peut comprendre au moins un échangeur 20 de vaporisation et au moins un échangeur de surchauffage et l'autre des foyers peut comprendre au moins un échangeur de surchauffage et au moins un échangeur de préchauffage.

Le générateur de vapeur peut comprendre une chambre de dépollution des fumées issues des foyers de combustion.

La chambre de dépollution de fumées peut être logée en amont de la zone de préchauffage.

La chambre de dépollution de fumées peut comprendre des moyens d'injection d'absorbant.

La chambre de dépollution de fumées peut comprendre des moyens 30 d'injection d'agent réducteur.

La chambre de dépollution des fumées peut comprendre au moins une zone de vaporisation.

L'absorbant injecté dans la chambre de dépollution de fumées peut être du type calcique ou magnésien.

L'agent réducteur injecté dans la chambre de dépollution de fumées peut être du type urée ou ammoniac.

Le comburant est un comburant à haute teneur en oxygène alors que le combustible est un combustible solide, liquide ou gazeux, tel qu'un fioul lourd, un résidu pétrolier, un gaz, du coke de pétrole ou du charbon.

Les parois d'au moins un foyer peuvent être constituées d'une virole ou de parois membranées.

Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont ressortir de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, à laquelle sont annexées: - la figure 2 montrant un générateur selon un mode de réalisation de 15 l'invention; - la figure 3 montrant une première variante de l'invention; et - la figure 4 montrant une autre variante de l'invention.

En se rapportant à la figure 2, le générateur de vapeur 10, dénommé plus 20 communément chaudière, comprend deux foyers de combustion successifs Fl et F2, dans lesquelles brle un combustible en présence d'un comburant. Le combustible est un combustible solide, liquide ou gazeux contenant notamment du soufre et de l'azote, tel qu'un fioul lourd, un résidu pétrolier, un gaz, du coke de pétrole ou du charbon, alors que le comburant est préférentiellement un gaz 25 avec une très forte teneur en oxygène, préférentiellement supérieure à 80%, ou de l'oxygène pur.

Dans le foyer de combustion primaire Fl, disposé de préférence verticalement, est placé, en partie haute comme montré sur la figure, au moins un brleur 12 alimenté en combustible par une voie 14 et en comburant par une 30 voie 16. La disposition et le nombre de brleurs seront déterminés par l'homme du métier de façon à obtenir une combustion avec de faibles émissions de polluants tout en évitant le contact de la flamme du brleur avec les parois 18 de ce foyer. Cette combustion peut être également réalisée par tout autre moyen, comme des grilles, des lits fluidisés. En fonction du combustible injecté, il sera judicieusement utilisé un fluide auxiliaire pour optimiser la combustion, comme de la vapeur d'eau ou un gaz ou un mélange de gaz, tels que 5 notamment du C02 ou de 1'02, ceci de façon à prévoir le recyclage des fumées qui pourraient servir à la vaporisation du combustible.

Ce foyer de combustion primaire Fl comporte une zone de vaporisation V comprenant au moins un échangeur de vaporisation ou écran vaporisateur 20, dénommé dans la suite de la description évaporateur, qui, dans l'exemple 10 décrit, est constitué par les parois du foyer primaire Fl qui sont préférentiellement du type "paroi membranée". Comme cela est connu, ces parois membranées sont constituées de tubes reliés entre eux par des ailettes soudées pour former un échangeur de chaleur. Cet évaporateur ainsi obtenu est un échangeur à haute température qui assure la vaporisation au moins 15 partielle du fluide circulant à l'intérieur des tubes.

La sortie 22 de cette zone de vaporisation V et par conséquent du foyer primaire Fl, qui est située en partie basse de ce foyer, débouche dans le foyer de combustion secondaire F2, de préférence verticale, dans laquelle se trouve, en partie basse et en relation avec la sortie 22, un brleur 24 alimenté en 20 combustible par une voie 26 et en comburant par une voie 28, tels que définis précédemment. Egalement, la disposition et le nombre de brleurs seront déterminés par l'homme du métier de façon à obtenir une combustion avec de faibles émissions de polluants tout en évitant le contact de la flamme du brleur avec les parois du foyer secondaire F2.

Ce foyer de combustion secondaire, comporte une zone de surchauffage haute température Si comprenant au moins un échangeur de surchauffage ou surchauffeur 30, dit surchauffeur haute température, pour élever la température du fluide, généralement en phase vapeur, qui le parcourt. Pour cela, les parois de ce foyer sont constituées d'une virole 32, de préférence métallique, protégée 30 du rayonnement thermique par un matériau isolant, comme du béton, des briques ou d'une matière fibreuse. Le long de ce matériau isolant, sont installés des faisceaux de tubes 34 dans lesquels circule de la vapeur d'eau. Ce surchauffeur est un échangeur à haute température assurant la surchauffe du fluide en phase vapeur qui le parcourt.

La sortie 36 de la zone de surchauffage haute température communique, en partie haute, avec une enveloppe E dans laquelle se situe une zone de 5 surchauffage additionnelle S2, dite zone de surchauffage basse température, et préférentiellement une zone de préchauffage P. La zone de surchauffage basse température S2 comprend au moins un échangeur de type convectif 38, dit surchauffeur basse température. La zone de préchauffage P comprend également au moins un échangeur de type convectif 40, dénommé 10 économiseur. Ces échangeurs convectifs 38 et 40 sont formés, d'une manière connue en soi, de faisceaux de tubes reliés à des collecteurs.

Ainsi, le générateur de vapeur comprend deux foyers de combustion successifs, le foyer de combustion primaire Fl et, en série avec ce foyer de combustion primaire, le foyer de combustion secondaire F2. Le foyer primaire 15 Fl comprend le brleur 12 et l'évaporateur 20 alors que le foyer F2 comprend le brleur 24, le surchauffeur haute température 30 et est suivi de l'enveloppe E constituée du surchauffeur basse température 38 ainsi que l'économiseur 40.

En partie basse de cette enveloppe E, la sortie 42 de la zone de préchauffage aboutit à une zone d'évacuation de fumées F qui communique 20 vers tout moyen de traitement connu de ces fumées ou vers une cheminée (non représentée).

L'économiseur 40 comporte une admission 44 en eau et une sortie 46 d'eau préchauffée qui aboutit par une conduite 48 à un moyen collecteur de fluide 50, tel qu'un ballon utilisé habituellement dans ce type de générateur. Le 25 surchauffeur basse température 38 comprend une admission de vapeur 52 issue du ballon 50 par une conduite 54 et une sortie de vapeur 56 vers le surchauffeur haute température 30. Le surchauffeur haute température 30 comprend une admission 58 de vapeur provenant du surchauffeur basse température 38 véhiculée par une conduite 60 ainsi qu'une sortie de vapeur 62, 30 de préférence surchauffée, qui est dirigée, par une conduite 64, vers tout moyen utilisant une telle vapeur surchauffée, tel qu'une turbine de centrale thermique. De manière avantageuse, l'économiseur et le surchauffeur basse température peuvent être munis de dispositifs d'augmentation des transferts thermiques, tels que des ailettes, si les fumées qui les traversent ne sont pas trop chargées en poussière. L'évaporateur 20 comprend une admission 66 alimentée en eau préchauffée par une conduite 68 reliant le ballon 50 à cette 5 admission et une sortie 70 d'une émulsion d'eau sous forme diphasique (eau liquide-vapeur d'eau) vers le ballon 50 grâce à une conduite 72.

Ainsi, durant le fonctionnement de ce générateur, l'eau est introduite dans l'économiseur 40 par l'admission 44, circule dans cet économiseur en y étant préchauffée, puis est collectée dans le ballon 50 grâce à la conduite 48 10 raccordant ce ballon à la sortie 46 de l'économiseur. Cette eau chaude est ensuite envoyée du ballon 50 vers l'admission 66 de l'évaporateur 20 par la conduite 68 pour y être au moins partiellement transformée en une émulsion d'eau diphasique à sa sortie 70. L'émulsion sortant de l'évaporateur est dirigée par la conduite 72 dans le ballon 50 o elle subit une séparation de la phase 15 gazeuse et de la phase liquide. La vapeur d'eau contenue dans ce ballon est ensuite envoyée par la conduite 54 vers l'admission 52 du surchauffeur basse température 38 dans lequel se réalise une élévation de température de cette vapeur de manière à obtenir à sa sortie 56 de la vapeur sèche à un premier niveau de température. Par vapeur sèche, il est entendu de la vapeur à une 20 température supérieure à la température de saturation de l'eau à la pression considérée. L'admission 58 du surchauffeur haute température 30 reçoit la vapeur du surchauffeur basse température 38 par l'intermédiaire de la conduite 60 et cette vapeur ressort par la sortie 62 sous forme de vapeur surchauffée, c'est-à-dire à une température supérieure à celle de la vapeur issue du 25 surchauffeur basse température 38.

Pour obtenir ces différentes élévations de températures et/ou changement de phase du fluide circulant dans les différents échangeurs, il est nécessaire d'utiliser astucieusement l'énergie thermique produite par la combustion. Pour cela, une proportion de la quantité totale du combustible gazeux, liquide ou 30 solide, typiquement comprise entre 20% et 80% de cette quantité totale, et une proportion de la quantité totale du comburant à forte teneur en oxygène, typiquement entre 20% et 80% sont injectées par les voies 14 et 16 dans le brleur 12 du foyer de combustion primaire Fl. Cette répartition de puissance sur au moins deux foyers permet de prévoir les fonctionnements en marche réduite et d'obtenir une meilleure flexibilité du générateur. Les fumées générées par la combustion traversent la zone de vaporisation V et échangent une partie 5 de leur énergie thermique avec l'eau préchauffée circulant dans les tubes de l'évaporateur 20 de manière à obtenir à la sortie 70 de cet évaporateur un fluide sous forme diphasique eau liquide-vapeur d'eau.

En sortie 22 du foyer primaire Fl, les fumées sont dirigées vers le foyer de combustion secondaire F2 dans lequel se réalise la combustion de la fraction 10 restante de la quantité totale du combustible et du comburant par l'intermédiaire du brleur 24 alimenté en combustible et en comburant par les voies 26 et 28.

La température des fumées est alors augmentée et ces fumées traversent la zone de surchauffage haute température Si qui comprend le surchauffeur haute température 30. La température de la vapeur d'eau circulant dans les 15 tubes de ce surchauffeur est alors augmentée et cette vapeur d'eau surchauffée est ensuite évacuée par la conduite 64 pour être utilisée par des moyens connus, tels qu'une turbine ou un procédé quelconque. Les fumées sortant de la zone de surchauffage haute température Si par la sortie 36 sont envoyées vers la zone de surchauffage basse température S2 comprenant le 20 surchauffeur basse température 38 dans lequel circule la vapeur d'eau qui subit une élévation de température. Alternativement et comme cela sera mieux décrit en relation avec la figure 3, les fumées sont envoyées vers une zone de traitement de fumées avec injection d'absorbant avant passage dans le surchauffeur basse température 38. Ces fumées traversent ensuite la zone de 25 préchauffage P dans laquelle l'eau circulant dans l'économiseur 40 subit une augmentation de température par échange thermique avec les fumées tout en refroidissant ces fumées à une température appropriée, généralement de l'ordre de 2500C.

Ces fumées sont évacuées ensuite par la sortie 42 vers la zone F et sont 30 dirigées vers tout moyen de traitement approprié ou vers une cheminée comme cela est connu en soi.

A titre d'exemple, le brleur 12 génère des fumées dont la température à la sortie 22 du foyer Fl est de l'ordre de 1300 C. Ces fumées entrent ensuite dans le foyer de combustion secondaire F2. Grâce au brleur 24, elles subissent une élévation de température pour atteindre une température de 5 l'ordre de 10000C, après échange dans le foyer F2, à la sortie 36 de la zone Si.

Ces fumées ainsi chauffées pénètrent dans la zone de surchauffage secondaire S2 en échangeant leurs énergies thermiques avec le surchauffeur basse température 38 d'o elles en ressortent à une température d'environ 6000C puis balayent l'économiseur 40 présent dans la zone de préchauffage P pour être 10 évacuées par la sortie 42 vers la zone F à une température approximative de 2500C.

Parallèlement, l'eau est introduite dans l'économiseur 40 à une température de 1500C environ pour en ressortir à environ 2900C. Cette eau préchauffée est ensuite vaporisée partiellement dans l'évaporateur 20, après 15 passage dans le ballon 50, et en ressort à une température d'environ 3050C pour être envoyée dans le ballon 50. La vapeur d'eau sortant de ce ballon à cette même température est injectée dans le surchauffeur basse température 38 grâce auquel elle augmente sa température jusqu'à environ 3750C environ à la sortie 56 pour être envoyée ensuite vers le surchauffeur haute température 20 30 d'o elle en ressort à 4800C approximativement.

Sans sortir du cadre de l'invention, il peut être prévu qu'une multiplicité de foyers de combustion soient installés les uns à la suite des autres et en étant en série les uns avec les autres. De plus, il peut être prévu qu'au moins une zone 25 de vaporisation et/ou de surchauffage et/ou de préchauffage comportant au moins un échangeur, tel qu'un évaporateur et/ou un surchauffeur et/ou un économiseur, relié en série avec les échangeurs situés à la suite des autres foyers de combustion, soit disposée dans chaque foyer de combustion.

Dans l'exemple de la figure 3 montrant une variante de la figure 2 et qui pour cela comporte les mêmes références, il est prévu d'utiliser un foyer de combustion secondaire F2 de type "paroi membranée" et de disposer la zone de surchauffage haute température dans le foyer de combustion primaire Fl.

Avantageusement, dans cette variante, la totalité du générateur comporte des parois de type "paroi membranée" de manière à tirer profit de l'énergie 5 thermique contenue dans les fumées qui circulent du foyer primaire Fl jusqu'à la sortie 42.

Ce générateur comprend un foyer de combustion primaire Fl, un foyer de combustion secondaire F2 comportant une zone de surchauffage basse température S2. Cette zone aboutit à une zone de préchauffage P se terminant 10 par une zone d'évacuation des fumées F. Le foyer primaire Fl de type "paroi membranée", comme décrit précédemment, comprend un brleur 12, une zone de vaporisation V avec un évaporateur 20 et une sortie des fumées 74 qui débouche sur une zone de surchauffage haute température Si contenue dans une enveloppe El. Cette enveloppe allongée sensiblement verticale est 15 également de type "paroi membranée" et contient un surchauffeur haute température 30, qui est du type convectif, avec une admission de vapeur 58 et une sortie de vapeur surchauffée 62. La sortie 22 de cette zone de surchauffage arrive dans le foyer de combustion secondaire F2 qui comprend un brleur 24, comme décrit en relation avec la figure 2, et qui est aussi 20 constitué de parois membranées. La sortie 36 des fumées débouche, comme déjà décrit, sur une zone de surchauffage basse température S2 avec un surchauffeur basse température 38 comprenant une admission 52 et une sortie 56 de vapeur, ladite zone communiquant avec unezone de préchauffage P avec un économiseur 40 muni d'une admission d'eau 44 et d'une sortie d'eau 25 préchauffée 46, cette zone de préchauffage communiquant avec une zone d'évacuation des fumées F par une sortie 42.

De manière préférentielle, les zones de surchauffage basse température S2 et de préchauffage P comprennent des parois de type "paroi membranée" Dans cette configuration, l'admission d'eau préchauffée dans l'évaporateur et la 30 sortie du fluide diphasique (eau liquide-vapeur d'eau) peuvent se faire à différents niveaux. Notamment, il peut y avoir plusieurs admissions d'eau préchauffée dans les parois membranées et plusieurs de sortie du fluide diphasique aboutissant au ballon.

A titre d'exemple, comme représenté sur la figure 3, l'évaporateur 20 comprend une admission d'eau préchauffée 66 au niveau du foyer primaire Fl 5 et une sortie 70 du fluide diphasique (eau liquide-vapeur d'eau) située au niveau de la sortie 42 de la zone de préchauffage en étant raccordée par une conduite 72 au ballon 50. De ce fait, les foyers de combustions Fl et F2 ainsi que les zones de surchauffage haute température Si, de surchauffage basse température S2 et de préchauffage P comportent chacun une partie de 10 l'évaporateur 20 divisé dans les zones d'évaporation référencées sur le dessins V, Vl, V2 et V3. Dans l'éventualité o seuls les foyers Fl et F2 ont des parois membranées, la sortie 70 du fluide diphasique se situera au niveau de la sortie du foyer secondaire F2, cette sortie étant reliée par la conduite 72 au ballon 50 comme représentée en pointillé sur la figure, et seules les zones d'évaporation 15 V, Vl et V2 subsisteront.

Dans la variante o la totalité des parois est de type "paroi membranée", le foyer primaire Fl comprend le brleur 12, la zone d'évaporation V avec l'évaporateur 20, la zone de surchauffage haute température Si avec le surchauffeur haute température 30 et la zone de vaporisation Vi comprenant 20 les tubes de la paroi membranée de l'enveloppe El alors que le foyer secondaire F2 comprend le brleur 24, la zone de surchauffage basse température S2 avec le surchauffeur basse température 38, la zone de préchauffage P avec l'économiseur 40 et les zones de vaporisation V2 et V3 comprenant les tubes des parois membranées.

Ainsi, comme précédemment décrit en relation avec la figure 2, le brleur 12 du foyer primaire Fl est alimenté par une proportion de la quantité totale du combustible gazeux, liquide ou solide, et une proportion de la quantité totale du comburant à forte teneur en oxygène. Les fumées du foyer Fi traversent la zone de vaporisation V et échangent leurs énergies thermiques avec l'eau 30 préchauffée circulant dans les tubes de l'évaporateur 20 de manière à obtenir à la sortie de cet échangeur un fluide sous une première forme diphasique eau liquide-vapeur d'eau. En sortie 74 de la zone d'évaporation V, les fumées traversent la zone de surchauffage haute température Si o elles transmettent leurs énergies calorifiques, d'une part, au surchauffeur haute température 30 de façon à obtenir, en sortie de ce surchauffeur, de la vapeur d'eau à un premier niveau de température et, d'autre part, au fluide circulant dans les tubes de la zone de vaporisation Vl.

Les fumées sortant de la zone de surchauffage Si sont dirigées par la sortie 22 vers le foyer de combustion secondaire F2 dans lequel se réalise la combustion de la fraction restante de la quantité totale du combustible et du comburant par l'intermédiaire du brleur 24. La température de ces fumées est 10 alors augmentée et elles sont évacuées, par la sortie 36, vers la zone de surchauffage secondaire S2 en échangeant leurs énergies thermiques avec le surchauffeur basse température 38. Durant le trajet dans le foyer secondaire et la zone de surchauffage haute température, les fumées transmettent également une partie de leurs énergies aux tubes de la zone de vaporisation V2. Les 15 fumées sortant de la zone de surchauffage basse température S2 traversent la zone de préchauffage P dans laquelle l'eau circulant dans l'économiseur 40 subit une augmentation de température par les échanges thermiques avec les fumées tout en refroidissant ces fumées à une température appropriée. De même, les fumées transmettent leurs énergies thermiques aux tubes des parois 20 membranées formant la zone d'évaporation V3. Ces fumées sont ensuite évacuées par la sortie 42 dans la zone F et sont dirigées vers tout moyen de traitement approprié ou vers une cheminée comme cela est connu en soi.

Lors du fonctionnement, l'eau entrant dans l'économiseur 40 par l'admission 44 est envoyée, après son chauffage par passage dans cet 25 économiseur, vers le ballon 50 par la conduite 48. L'eau chaude est ensuite dirigée par la conduite 68 de ce ballon vers l'admission 66 de l'évaporateur 20.

Le fluide diphasique eau liquide-vapeur d'eau issu de la sortie 70, qui a absorbé les calories des fumées tout au long de leurs cheminements dans le générateur, du brleur 12 jusqu'à la sortie 42, est dirigé par la conduite 72 vers 30 le ballon 50. Dans ce ballon, le fluide diphasique est soumis à une séparation entre la phase vapeur et la phase liquide et la vapeur d'eau est envoyée par la conduite 54 à l'admission 52 du surchauffeur basse température 38 o la température de cette vapeur d'eau est augmentée à un premier niveau. A la sortie 56 de ce surchauffeur, la vapeur est envoyée par une conduite 60 vers l'admission 58 du surchauffeur haute température 30 dans lequel la température de cette vapeur est encore augmentée à un niveau supérieur à 5 celui du surchauffeur basse température 38 pour être ensuite évacuée par la sortie 62 vers tout dispositif tel que décrit précédemment.

Bien entendu pendant toutes ces opérations les brleurs 12 et 24 sont alimentés comme cela a été décrit en relation avec la figure 2.

Toujours à titre d'exemple, les températures des fumées sont d'environ 10 13000C à la sortie de la zone d'évaporation V, d'environ 5000C à la sortie de la zone de surchauffage haute température Si, d'environ 13000C à l'entrée de la zone de surchauffage basse température S2, d'environ 3500C à la sortie de cette zone et d'environ 2000C à la sortie 42 vers la zone d'évacuation des fumées F. Les températures des fluides dans les différents échangeurs sont de 15 l'ordre de 1500C à l'admission 44 de l'économiseur 40, de l'ordre de 1650C à la sortie 46 de cet économiseur, de l'ordre de 3040C à la sortie 70 de l'évaporateur et à l'admission 52 du surchauffeur basse température 38, de l'ordre de 3600C à la sortie 56 de ce surchauffeur et à l'admission 58 du surchauffeur haute température 30 et de l'ordre de 4800C à la sortie 62 de ce surchauffeur haute 20 température.

On se reporte maintenant à la figure 4, qui montre une variante de réalisation de l'invention selon la figure 3 et qui pour cela comporte également les mêmes références que cette figure.

Cette variante se distingue essentiellement de la figure 3 par la présence d'une enveloppe E2 contenant une chambre de dépollution des fumées 76 ainsi que d'une zone de surchauffage moyenne température S3.

En effet, le demandeur a pu constater que la combustion dans les générateurs produit généralement des fumées contenant des polluants 30 atmosphériques, tels que des oxydes de soufre (SOx) et des oxydes d'azote (NOx), qui ont un impact négatif sur l'environnement.

De nombreux procédés de traitement de ces polluants sont connus mais la plupart opèrent à des basses températures, généralement sur les fumées sortant de la zone de préchauffage. Mais, pour des raisons de simplification du traitement des oxydes d'azote ou pour éviter la condensation d'acide sulfurique 5 provenant des oxydes de soufre, il est préférable de traiter ces polluants à des hautes températures, aux environs de 1 0000C.

Ainsi dans le cas de la variante de la figure 4, la chambre de dépollution des fumées 76, comme une chambre de désulfuration, est disposée après la sortie 36 de fumées générées par le brleur 24 de manière à tirer profit de la 10 température des fumées qui se situe à un niveau élevé compte tenu de l'action de ce foyer secondaire.

Comme déjà décrit en relation avec la figure 3, le foyer primaire Fl de type "paroi membranée" comprend un brleur 12, une zone de vaporisation V avec un évaporateur 20, une zone de surchauffage haute température Si avec 15 un surchauffeur haute température 30 et une sortie des fumées 22. La sortie 22 de cette zone de surchauffage arrive dans le foyer de combustion secondaire F2.La sortie 36 des fumées générées par le brleur 24 du foyer F2 débouche sur une zone de surchauffage moyenne température S3 avec un surchauffeur moyenne température 78 comprenant une admission 80 reliée par une conduite 20 82 à la sortie 56 du surchauffeur basse température 38 et une sortie 84 de vapeur reliée par une conduite 86 à l'admission 58 du surchauffeur haute température 30.

La sortie de cette zone communique avec la chambre de dépollution 76 qui, dans l'exemple montré, est une chambre de désulfuration.

Cette chambre est équipée d'au moins un injecteur d'absorbants 88 permettant une dispersion rapide et homogène d'un jet d'absorbants dans les fumées traversant cette chambre. L'absorbant injecté peut être de type calcique, magnésien ou tout autre type permettant la réaction avec les oxydes de soufre contenus dans les fumées pour limiter leur formation. La 30 granulométrie et les quantités d'absorbants injectés seront déterminés par l'homme du métier de façon à obtenir des taux de désulfuration conformes aux réglementations en vigueur.

De manière avantageuse, il sera tiré profit de cette chambre de dépollution pour assurer également la dénitrification des fumées qui la traverse en injectant un agent réducteur, comme de l'urée ou de l'ammoniac. Cet agent réducteur sera dispersé de façon homogène dans la chambre de dépollution par un moyen analogue à l'injecteur d'absorbants 88.

Le nombre et la disposition des injecteurs d'absorbants et/ou d'agent réducteur seront déterminés par l'homme du métier de manière à assurer une bonne répartition de l'absorbant et/ou de l'agent réducteur dans la chambre de dépollution.

Les parois de cette chambre de dépollution sont constituées avantageusement de parois de type "paroi membranée" et participent également à l'évaporation de l'eau circulant dans l'évaporateur en formant une zone d'évaporation V4.

La sortie 90 de la chambre de dépollution communique, comme cela a 15 déjà été décrit en relation avec la figure 3, avec une zone de surchauffage basse température S2 et une zone de préchauffage P qui débouche par la sortie 42 vers la zone de traitement des fumées F. Lors du fonctionnement, les fumées générées par le foyer primaire Fl traversent successivement la zone de vaporisation primaire V, puis la zone de 20 surchauffage haute température Si. A la sortie de cette zone de surchauffage, la température des fumées est alors augmentée grâce au brleur 24. Ces fumées traversent ensuite la zone de surchauffage moyenne température S3 pour aboutir à la chambre de dépollution 76 o elles sont désulfurées et/ou dénitrifiées grâce à l'injection d'absorbants et/ou d'agents réducteurs. Les 25 fumées ainsi traitées aboutissent à la sortie 90 à partir de laquelle elles pénètrent dans la zone de surchauffage basse température S2 et dans la zone de préchauffage P pour parvenir à la zone d'évacuation des fumées F. Parallèlement, l'eau admise dans l'économiseur 40 est réchauffée par passage dans cet économiseur, puis est dirigée vers le ballon 50. L'eau chaude 30 présente dans le ballon est envoyée vers l'évaporateur 20, puis le fluide diphasique eau liquide- vapeur d'eau issu de cet évaporateur est ensuite dirigé vers le ballon 50 par la conduite 72. La vapeur d'eau présente dans ce ballon est envoyée dans le surchauffeur basse température 38 d'o elle en ressort pour être envoyée par la conduite 82 dans le surchauffeur moyenne température 78. La vapeur issue de ce surchauffeur moyenne température est ensuite envoyée par la conduite 86 dans le surchauffeur haute température d'o elle en ressort par la sortie 62 et la conduite 64.

Les fumées qui traversent la chambre de dépollution 76 sont à une température préférentiellement comprise entre 6000C et 1 100C de façon à obtenir un taux de désulfuration requis en adéquation avec le temps de séjour des fumées dans cette chambre de dépollution. Il peut être observé que cette 10 fourchette de température permet également une dénitrification des fumées dans le cas o cette chambre est équipée d'injecteurs d'agent réducteur comme précédemment décrit.

En outre, comme déjà décrit en relation avec la figure 3, les fumées transmettent leurs énergies thermique aux tubes des différentes zones de 15 vaporisation V, Vi, V2, V3 et V4.

Dans un exemple illustrant cette variante, il a été considéré un générateur fonctionnant en oxycombustion, d'une puissance de 100 MW et délivrant 124 tonnes/heures de vapeur surchauffée à une température de l'ordre de 4800C.

Le combustible utilisé se compose, en pourcentage massique, d'environ 84 % 20 de carbone, d'environ 9% d'hydrogène, d'environ 6% de soufre et d'environ 1% de soufre. La composition volumique du comburant est de l'ordre de 95% d'oxygène, de l'ordre de 3% d'azote et de l'ordre de 2% d'argon. Les débits de combustible et de comburant sont respectivement d'environ 1,29kg/s et 4,24kg/s pour le foyer de combustion primaire Fl alors qu'ils sont d'environ 25 1,39kg/s et 4,56kg/s pour le foyer de combustion secondaire F2.

A partir de telles conditions, la température de l'eau à l'admission de l'économiseur 40 étant de 1500C, la température de l'eau chauffée en sortie de l'économiseur est d'environ 1800C alors que la température des fumées en amont de la zone de préchauffage P est d'environ 4500C et d'environ 2500C en 30 aval de cette même zone. La température du fluide diphasique eau liquidevapeur d'eau, après passage dans l'évaporateur 20, est d'environ 3050C à la sortie 70 de cet évaporateur. La température de la vapeur d'eau à l'admission du surchauffeur basse température 38 est de l'ordre de 30500 et de l'ordre de 33000 à sa sortie alors que la température des fumées est de l'ordre de 75000 en amont de la zone de surchauffage basse température S2 et de l'ordre de 45000 en aval de cette même zone. La température de la vapeur d'eau à 5 l'admission 80 du surchauffeur moyenne température 78 est de l'ordre de 3300C et de l'ordre de 4200C à sa sortie 84 alors que la température des fumées est de l'ordre de 130000 en amont de la zone de surchauffage moyenne température S3 et de l'ordre de 100000C en aval de cette zone et à l'entrée de la chambre de dépollution 76. La température de la vapeur d'eau à 1 0 l'admission du surchauffeur haute température 30 est de l'ordre de 42000 et de l'ordre de 48000 à sa sortie 62 alors que la température des fumées est de l'ordre de 130000 en amont de la zone de surchauffage haute température Si et de l'ordre de 50000 en aval de cette zone de surchauffage.

La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes.

Avantageusement, il peut être envisagé de faire fonctionner le foyer de combustion primaire Fl en dessous de la stoechiométrie avec un combustible en excès par rapport au comburant, de façon à limiter les émissions d'oxydes 20 d'azotes.

Dans ces conditions, pour obtenir un bon rendement de combustion, le foyer de combustion secondaire F2 peut fonctionner au-dessus de la stoechiométrie avec le comburant en excès par rapport au combustible.

En outre, compte tenu de l'énergie thermique disponible dans les foyers 25 de combustion, il peut avantageusement être envisagé de se dispenser de l'utilisation de l'économiseur et de réaliser le préchauffage de l'eau par l'évaporateur qui admettra de l'eau à la température du site. Cette eau sera préchauffée lors de la circulation de cette eau au début de cet évaporateur puis évaporée dans le reste de l'évaporateur. 30

Claims (17)

REVENDICATIONS

1) Générateur de vapeur comprenant un foyer de combustion, au moins un brleur alimenté en combustible et en comburant, une zone de vaporisation 5 comprenant un échangeur de vaporisation, une zone de surchauffage comprenant un échangeur de surchauffage, une zone de préchauffage comprenant un échangeur de préchauffage et un ballon collecteur, caractérisé en ce que le générateur comprend au moins deux foyers de combustion (Fl, F2) successifs et en ce que chaque foyer comprend au moins un échangeur 10 (20, 30, 38, 78, 40) d'au moins une desdites zones (V, Vi, V2, V3, V4; Si, S2, S3; P).

2) Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque foyer comprend au moins un échangeur de vaporisation (20).

3) Générateur de vapeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce 15 que chaque foyer comprend au moins un échangeur de surchauffage (30, 38, 78).

4) Générateur de vapeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque foyer comprend au moins un échangeur de préchauffage (40) .

5) Générateur de vapeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'un (Fl) des foyers comprend au moins un échangeur de vaporisation (20) et en ce que l'autre (F2) des foyers comprend au moins un échangeur de surchauffage (30, 38, 78) et au moins un échangeur de préchauffage (40).

6) Générateur de vapeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'un (Fl) des foyers comprend au moins un échangeur de vaporisation (20) et au moins un échangeur de surchauffage (30) et en ce que l'autre (F2) des foyers comprend au moins un échangeur de surchauffage (38, 78) et au moins un échangeur de préchauffage (40).

7) Générateur de vapeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de dépollution des fumées (76) issues des foyers de combustion (Fl, F2).

8) Générateur de vapeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de dépollution de fumées (76) est logée en amont de la zone de préchauffage (P).

- 9) Générateur de vapeur selon l'une des revendications 7 ou 8, 5 caractérisé en ce que la chambre de dépollution de fumées (76) comprend des moyens d'injection d'absorbant (88).

10) Générateur de vapeur selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la chambre de dépollution de fumées (76) comprend des moyens d'injection d'agent réducteur,

11) Générateur de vapeur selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la chambre de dépollution des fumées (76) comprend au moins une zone de vaporisation (V4).

12) Générateur de vapeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'absorbant est du type calcique ou magnésien.

13) Générateur de vapeur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'agent réducteur est du type urée ou ammoniac.

14) Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comburant est un comburant à haute teneur en oxygène.

15) Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 20 le combustible est un combustible solide, liquide ou gazeux, tel qu'un fioul lourd, un résidu pétrolier, un gaz, du coke de pétrole ou du charbon.

16) Générateur de vapeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les parois d'au moins un foyer (F2) sont constituées par une virole (32).

17) Générateur de vapeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les parois d'au moins un foyer (Fl, F2) sont constituées de parois membranées.