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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 8 925 − 1 Centrales à lit ﬂuidisé sous pression par Lucien TUA Ingénieur à la division Environnement de CNIM Chargé du développement de la technique PCFB a technique de ﬂuidisation est une technique très ancienne qui trouve ses premières applications dans l’industrie chimique et pétrochimique. Elle fut utilisée en Allemagne dès les années 20, dans les premiers gazéiﬁeurs Winkler. Elle consiste à mettre un produit granuleux ou pulvérulent en suspension dans un gaz, cela aﬁn d’améliorer le contact gaz/solides et favoriser la cinétique des réactions chimiques et du transfert thermique. Ce n’est qu’au début des années 70 que l’on commença à s’intéresser à cette technique pour la combustion et à développer son application pour la génération de vapeur à partir de combustibles solides. Les vitesses de ﬂuidisation utilisées étaient alors relativement faibles (1 à 2 m/s) et juste sufﬁsantes pour mettre les particules de combustible en mouvement sans qu’il y ait entraînement. Ce mode de ﬂuidisation a donné naissance à la première génération de foyers à lit ﬂuidisé, 1. Développement de la combustion en lit ﬂuidisé ............................ B 8 925 - 2 1.1 Comparaison des combustions en lit ﬂuidisé et conventionnelles......... — 3 1.2 Évolution et limites de la combustion en lit ﬂuidisé atmosphérique...... — 3 1.2.1 Performances énergétiques............................................................... — 3 1.2.2 Rejets de polluants ............................................................................. — 4 1.2.3 Évolution vers les grandes tailles...................................................... — 5 1.3 Évolution vers la combustion en mode pressurisé .................................. — 5 2. Principe de base....................................................................................... — 6 2.1 Centrales de première génération.............................................................. — 6 2.2 Centrales de deuxième génération ............................................................ — 6 3. Description technique d’une centrale de première génération.. — 6 3.1 Technique du lit ﬂuidisé dense................................................................... — 7 3.1.1 Procédé développé par ABB Carbon................................................. — 7 3.1.2 Procédé développé par Ebara Corporation ...................................... — 10 3.2 Technique du lit ﬂuidisé circulant............................................................... — 11 3.2.1 Procédé Foster-Wheeler..................................................................... — 11 3.2.2 Procédé Lurgi-Lentjes-Babcock ......................................................... — 21 4. Description technique d’une centrale de deuxième génération — 23 4.1 Cycle PCFB utilisant un combustible d’appoint ........................................ — 24 4.2 Cycle PCFB utilisant un gaz de synthèse (gazéiﬁcation intégrée) ........... — 24 4.2.1 Description générale .......................................................................... — 24 4.2.2 Principe de fonctionnement............................................................... — 25 4.2.3 Description des principaux composants .......................................... — 26 5. Performances énergétiques.................................................................. — 27 5.1 Flexibilité vis-à-vis des combustibles ........................................................ — 27 5.2 Rendement du cycle thermique ................................................................. — 27 5.3 Quelques exemples comparés de bilans thermiques .............................. — 27 6. Performances en matière d’environnement..................................... — 28 6.1 Rejets gazeux ............................................................................................... — 28 6.1.1 Oxydes d’azote.................................................................................... — 28 6.1.2 Protoxyde d’azote............................................................................... — 30 6.1.3 Oxydes de soufre................................................................................ — 30 6.1.4 Monoxyde de carbone ....................................................................... — 31 6.2 Résidus solides ............................................................................................ — 31 6.3 Rejets liquides.............................................................................................. — 31 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. B 8 925 L CENTRALES À LIT FLUIDISÉ SOUS PRESSION ________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 8 925 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique appelés lits ﬂuidisés denses (bubbling bed). Les premières réalisations indus- trielles de ce type ont permis de conﬁrmer l’efﬁcacité de la ﬂuidisation pour la combustion du charbon. Mais simultanément elles ont mis en évidence un certain nombre de contraintes d’exploitation inhérentes au mode de ﬂuidisation (pro- blèmes de maintien du niveau du lit lors des variations de charge, d’alimentation et de distribution de combustible, de ﬂexibilité vis-à-vis des variations des carac- téristiques des combustibles, etc.). Pour résoudre ces problèmes, les programmes de recherche s’orientèrent alors vers l’augmentation de la vitesse de ﬂuidisation. Vers la ﬁn des années 70, le concept du lit ﬂuidisé circulant ﬁt son apparition. Après une longue période de développement et de mise au point sur des unités pilotes, les premières réali- sations de taille industrielle ont été construites dans les pays nordiques pour brûler de la tourbe. Ce n’est que quelques années plus tard, sous la poussée de réglementations environnementales de plus en plus contraignantes, que la technique de ﬂuidi- sation a été mise à proﬁt pour la réduction in situ des polluants gazeux tels que les oxydes de soufre et les oxydes d’azote. La réduction des émissions d’oxydes de soufre est obtenue par injection de calcaire (ou dolomie) dans le lit. Les réactions de calcination du carbonate de calcium et de sulfatation sont favorisées par un contrôle efﬁcace de la température de combustion à une valeur voisine de 850 oC. La réduction des oxydes d’azote est quant à elle favorisée par une température de combustion relativement basse (faible production de « NOx thermique »), et par une combustion étagée (réduction de la production de « NOx combustible »). Depuis cette période la technique du lit ﬂuidisé circulant s’est considérablement développée. Aujourd’hui, elle est reconnue par les producteurs d’électricité comme l’une des ﬁlières de combustion propre du charbon les plus performantes et les plus ﬁables. Tous constructeurs confondus, elle représente une part impor- tante du marché mondial des chaudières à charbon. Ses domaines d’application sont variés : — génération d’eau surchauffée pour réseau de chauffage ; — génération de vapeur BP/MP pour procédés ; — cogénération chaleur/électricité ; — génération pure d’électricité (centrales thermiques). De nombreux constructeurs sont en mesure de proposer des chaudières à lit ﬂuidisé circulant atmosphérique de grande capacité (voir [doc. B 8 925]). 1. Développement de la combustion en lit ﬂuidisé Notations Sigle Définition ACFB Atmospheric Circulating Fluidised Bed CP Charbon pulvérisé GICC Gazéification intégrée à un cycle combiné IGCC Integrated Gasification and Combined Cycle LFC Lit fluidisé circulant MPC Marche poussée continue (ou allure nominale) PBFB Pressurised Bubbing Fluidised Bed PCFB Pressurised Circulating Fluidised Bed PCI Pouvoir calorifique inférieur PCS Pouvoir calorifique supérieur PICFB Pressurised Internally Circulating Fluidised Bed SCR Réduction sélective catalytique SNCR Réduction sélective non catalytique TG Turbine à gaz Les unités utilisées dans cet article ne sont pas toutes recon- nues par le Système international (SI). Aussi nous rappelons que : 1 normomètre cube (1 Nm3) correspond à 1 m3 de gaz mesuré dans les conditions normales de pression (1,013 bar) et de température (0 oC) ; 1 MWe correspond à une puissance électrique de 1 MW ; 1 MWth correspond à une puissance thermique de 1 MW. ________________________________________________________________________________________________ CENTRALES À LIT FLUIDISÉ SOUS PRESSION Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 8 925 − 3 1.1 Comparaison des combustions en lit ﬂuidisé et conventionnelles Le principe de base de ﬂuidisation a donné naissance à des tech- niques de combustion différentes, en fonction du régime de ﬂuidi- sation utilisé. Le diagramme de la ﬁgure 1 représente, de façon simpliﬁée, les différents modes de ﬂuidisation et les techniques de combustion associées. Le principe du lit ﬂuidisé est mis en évidence par le graphe de la fonction liant la perte de charge ∆p à la vitesse d’un gaz traver- sant un lit de particules solides (ﬁgure 1b ). Depuis le point A de vitesse nulle, jusqu’au point B correspondant à la vitesse minimale de ﬂuidisation, on constate une proportion- nalité (en échelle logarithmique) entre la perte de charge et la vitesse. Cette zone représente le domaine de fonctionnement des lits ﬁxes ; c’est le cas, par exemple, de la combustion du charbon sur une grille. Dans cette zone, le gaz traverse la couche de particules solides avec une vitesse et une énergie insufﬁsantes pour les mettre en mouvement. Au-delà du point B, l’accroissement de la vitesse entraîne une mise en mouvement des particules et une expansion du lit. C’est le domaine de fonctionnement du lit ﬂuidisé dense, qui se caractérise par une séparation nette des phases solide (lit) et gazeuse, sans entraînement des particules. Dans toute cette zone, et jusqu’au point C (début d’entraînement), la perte de charge reste à peu près constante et la turbulence augmente avec l’accroissement de la vitesse. Au-delà du point C, il y a expansion raide du lit et entraî- nement des particules dans le ﬂux gazeux jusqu’à l’extérieur du réac- teur. Pour assurer la continuité du processus, il est nécessaire d’introduire une quantité équivalente de solide à la base du lit. Cet appoint de matière peut être évité en effectuant une ﬁltration des gaz à la sortie du réacteur et une recirculation des solides ainsi récu- pérés dans le lit. Le point C marque la transition entre le lit dense et le lit circulant. Au-delà de ce point, la perte de charge devient une fonction décroissante de la vitesse, dont la pente dépend du taux de circulation des matières solides. Plus la vitesse de ﬂuidisation augmente, plus l’écart de vitesse gaz/particules diminue, jusqu’à devenir asymptotiquement nul (transport pneumatique). Le lit ﬂuidisé circulant fonctionne dans la zone où la vitesse de ﬂuidisation est élevée mais où la vitesse relative des parti- cules entraînées est faible. Les vitesses de ﬂuidisation autour du point C, utilisées dans les lits ﬂuidisés circulants, sont de l’ordre de 4 à 6 m/s. Dans les uploads/Management/ centrales-a-lit-fluidise-sous-pression.pdf